Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

331

мы. Опорное напряжение, подключенное ключом D (старшего разряда), создает ток равный Uоп/2R.

При подключении опорного напряжения в следующем разряде, когда в остальных разрядах нуль, напряжение в N–1 узле будет равно Uоп/4, а ток на входе OУ будет равен Uвх/4R. В общем случае полный ток на входе OУ будет равен:

где А – преобразуемое двоичное число с максимальным значением равным Амакс=2N–1, тогда

Источниками погрешностей в преобразователе лестничного типа являются не только резистивная матрица, но и сопротивления переключателей в замкнутом состоянии. Для уменьшения этого сопротивления используют матрицу с большими сопротивлениями резисторов R-2R. Однако, из-за увеличения паразитной емкости резисторов 2R возрастает время преобразования ЦАП, и увеличивается влияние токов утечки через переключатели в разомкнутом состоянии. Чтобы преодолеть указанные недостатки, в современных БИС ЦАП применяют инверсное включение резисторной матрицы. Это обеспечивает постоянное протекание токов через сопротивления матрицы, переключатели лишь коммутируют эти токи между общей шиной и входом ОУ. B этом случае быстродействие ЦАП преимущественно определяется OУ, а не паразитными емкостями матрицы сопротивлении. При использовании идеального OУ время преобразования ЦАП будет определятся только временем изменения состояния переключателей.

332

В настоящее время промышленностью выпускается большая номенклатура микросхем ЦАП серий К572ПА, К594ПА, К1108ПА, К1118ПА, и каждая из микросхем имеет частотные особенности применения. Быстродействие схем серии К1108ПА1 составляет порядка 200 нс, хотя самым высоким быстродействием порядка 10 нс обладают ЦАП серии К1118. Они предназначены для работы со схемами ЭСЛ логики.

Неиспользованные разрядные входы ЦАП могут оставаться незадействованными, что соответствует подаче на эти входы напряжения логической единицы. При необходимости подачи на незадействованные входы напряжения логического нуля, эти входы подключаются к источнику питания через резисторы сопротивлением порядка 45 кОм.

333

ГЛАВА 14 АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют аналоговый входной сигнал в цифровой, код и предназначены для согласования аналоговых измерительных систем с цифровыми системами обработки информации. АЦП широко используется в промышленных системах управления, цифровых системах связи, радиолокации, радионавигации, станках с числовым программным управлением.

14.1. Параметры АЦП

Параметры аналого-цифровых преобразователей подразделяются на статические, динамические и эксплуатационные.

Разрядность (число разрядов) АЦП – это округленный до целого числа двоичный логарифм номинального числа значений выходного кода L = log2N, N – число значений выходного кода. При подаче на вход АЦП линейно изменяющегося напряжения на выходе АЦП наблюдается последовательное изменение кодов.

Характеристикой преобразования АЦП называют зависимость между значениями входного аналогового напряжения и выходного кода. Так же как и для ЦАП характеристика преобразования АЦП может быть задана математически, в виде таблицы или графика.

Характеристика преобразования характеризуется шагом квантования, т. е. разностью значений напряжении заданного и следующего за ним межкодового перехода. А погрешность квантования – это погрешность, вызванная значением шага квантования, определяемая как половина амплитуды младшего разряда (0,5 АМР).

Точностные параметры АЦП характеризуются несоответствием идеальной и действительной характеристик преобразования для конкретной реализации АЦП. К ним относятся: напряжение смещения нуля, отклонение коэффициента преобразования от номинального, монотонность характеристики, дифференциальная нелинейность, апертурная погрешность.

Напряжение смещения нуля – это напряжение, которое определяет параллельный сдвиг характеристики преобразования вдоль оси абсцисс. Это обусловлено наличием напряжения смещения нуля в компараторе и отклонением сопротивления первого резистора делителя опорных напряжений.

Отклонение коэффициента преобразования от номинального значения характеризуется погрешностью преобразования в конечной точке характеристики. Это обусловлено напряжением смещения нуля и отклонением сопротивления резисторов в другом конце делителя.

334

Дифференциальная нелинейность АЦП определяется отклонением действительных значений шагов квантования характеристики от их среднего значения.

Монотонность характеристики преобразования АЦП характеризуется наличием всех кодовых комбинаций на его выходе при подаче на вход изменяющего аналогового сигнала.

Апертурная погрешность определяется неопределенностью между значением входного сигнала в момент выборки и значением фактически преобразуемой величины входного аналогового сигнала.

Основными динамическими параметрами являются: время преобразования, время задержки запуска, частота дискретизации, апертурное время, апертурная неопределенность, монотонность характеристики преобразования при максимальной скорости изменения входного сигнала, время цикла кодирования.

Время преобразования - это отрезок времени с момента начала появления сигнала на входе АЦП (аналогового или цифрового) до появления на выходе устойчивого цифрового кода. Для АЦП, имеющих команду внешнего запуска, определяющего начало преобразования, время преобразования равно минимальному времени между импульсом запуска и моментом появления на выходе АЦП заданного значения кода.

Время задержки запуска определяется минимальным временем с момента подачи скачкообразного сигнала на аналоговый вход АЦП до момента подачи сигнала запуска АЦП, при котором выходной код отличается от номинального не более чем на значение статистической погрешности. Это время определяется переходными процессами во входных цепях АЦП.

Время цикла кодирования определяется временем, в течении которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала. Оно определяется задержкой передачи сигнала в составных блоках АЦП.

Частота дискретизации - это максимальная частота преобразования входного сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Этим параметром может быть нелинейность или монотонность характеристики преобразования как критерий нормальной работы АЦП.

Апертурное время - это время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки входного сигнала и моментом времени, к которому оно относится. Физически это определяется инерционностью токовых переключателей и компараторов. Апертурное время определяется во всех точках характеристики преобразования и может иметь различное значение в различных точках характеристики. Это объясняется разбросом параметров отдельных узлов, значений резисторов, а также длины токопроводящих шин входного и тактового сигналов.

Апертурная неопределенность - случайное изменение апертурного времени, наиболее часто определяемое в конкретной точке характеристики преобразования. Она возникает из-за случайных изменений времени за-

335

держки во входных цепях компаратора и в цепях синхронизации АЦП. Апертурная неопределенность приводит к появлению различных кодовых комбинаций при кодировании быстроизменяющегося сигнала одной величины.

Из-за различных значений апертурного времени в разных точках характеристики преобразования появляется дополнительная динамическая погрешность.

Монотонность характеристики преобразования при максималь- но-допустимой скорости изменения входного сигнала определяется той скоростью изменения входного сигнала, при которой характеристика АЦП еще монотонна. Часто вместо монотонности характеристики преобразования пользуются дифференциальной нелинейностью. Кроме того, максимальная скорость изменения сигнала на входе АЦП ограничивается апертурной определенностью, апертурным временем, полосойпропускания компараторовврежимесравнения.

При эксплуатации АЦП необходимо учитывать минимальный временной интервал между преобразованиями, который характеризует время возвращения АЦП в исходное состояние и может влиять на частоту дискретизации.

Для нормальной и устойчивой работы АЦП необходимо выполнять ограничения на следующие эксплуатационные параметры устройства:

-правильность выбора напряжений источников питания и соблюдение последовательности их включения;

-диапазон изменения входных и выходных сигналов;

-длительность управляющих импульсов;

-длительность фронта и среза импульсов;

-используемый цифровой код.

На работу АЦП сильное влияние оказывают помехи, возникающие по цепи питания, электромагнитное излучение и др. Обеспечение помехозащищенности является одной из трудоемких задач: отсутствуют единые конкретные рекомендации по их устранению, поскольку помехи обычно имеют случайный характер и обусловлены разными источниками. В связи с этим используют полное или частичное экранирование, разделение общих шин входной и выходной цепей, аналоговой и цифровой частей прибора.

14.2. Классификация АЦП

Классифицировать АЦП можно по различным признакам. В основу классификации АЦП можно положить признак временного процесса преобразования аналоговой величины в цифровую. По этому признаку выборочные значения аналогового сигнала преобразуются в цифровые эквиваленты операциями квантования и кодирования с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедуры приближения цифрового эквивалента к аналоговой преобразуемой величине. Соответственно АЦП делятся на последовательные, параллельные и параллельно-последовательные. По структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением цифро-

337

вход компаратора. Таблица истинности (табл. 13.1) показывает, как должен работать АЦП. На выходе АЦП находится счетчик. На первый вход компаратора подается аналоговое входное напряжение, которое преобразуется в течении N тактов, а на второй вход компаратора подается сигнал с выхода ЦАП, имеющий ступенчатую форму. Если аналоговое входное напряжение на входе 1 больше напряжения на входе 2, то тактовые импульсы через логическую схему «И» поступают на вход счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, увеличивая цифровой сигнал на выходе АЦП. Счет продолжается до тех пор, пока напряжения на выходе ЦАП (напряжение обратной связи) не превысит аналоговое входное напряжение.

Основным недостатком простейшей структуры АЦП является относительно невысокая точность и большое время преобразования.

14.3. АЦП последовательного приближения

Одним из наиболее распространенных методов построения АЦП является метод последовательного приближения, который иногда называют методом поразрядного уравновешивания. В АЦП, использующих данный метод, код в регистрах результата меняется так, чтобы обеспечить по возможности быстрое уравновешивание входного напряжения или тока напряжением или током, получаемым с выхода ЦАП, который в свою очередь подключается к регистру. Упрощенная структурная схема АЦП последовательного приближения представлена на рис. 14.2. Получив команду на выполнение преобразования от генератора тактовых импульсов (ГТИ), регистр последовательных приближений

338

(РПП) устанавливает значение логической единицы "1" в первом разряде запоминающего регистра и ЦАП. Если при этом Uвх > Uц, то компаратор напряжения (К) выдает в РПП команду оставить логическую единицу в первом разряде запоминающего регистра и подать значение логической единицы во второй разряд ЦАП. Если после этого слова Uвx > Uц, то компаратор дает команду РПП оставить логическую единицу во втором разряде запоминающего регистра и ЦАП и подать напряжение логической единицы на третий разряд.

339

ЛИТЕРАТУРА

1. Гусев В.Г., Гусев В.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. –

622 с.

2.Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники

иэлектрорадиоэлементы. – М.: Радио и связь, 1989. – 350 с.

3.Резисторы (справочник). Под ред. Четверткова И.В., Терехова В.М. – М.: Радио и связь, 1991. – 527 с.

4.Свитенко В.Я. Электрорадиоэлементы. – М.: Высшая школа, 1989. –

207 с.

5.Электронные приборы / Под ред. Г.Г. Шишкина. – М.: Энергоатомиз-

дат, 1989. – 495 с.

6.Батушев В.А. Электронные приборы. – М.: Высшая школа, 1980. –

382 с.

7.Пасынков В.В., Чиркин Д.К. Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа, 1987. – 477 с.

8.Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 575 с.

9.Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Мн.: Выш. шк., 1987. – 316 с.

10.Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. –

352 с.

11.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Советское радио, 1980. – 424 с.

12.Аваев Н.А., Наумов В.В., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радио и связь, 1991. – 288 с.

13.Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. –

Киев: Вiща шк., 1989. – Ч. 1. – 431 с. – Ч. 2. – 302 с.

14.Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Полупроводниковые устройства непрерывного действия. – М.: Радио и связь, 1990. – 255 с.

15.Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 184 с.

16.Расадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. – М.: Выс-

шая школа, 1991. – 351 с.

17.Ежимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. – М.: Высшая школа, 1987. – 416 с.

18.Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991. – 126 с.

19.Мулявка Я. Схемы на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами. – М.: Мир, 1992. – 416 с.

20.Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

340

21.Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1990. – 496 с.

22.Фролкин В.Т., Попов Д.И. Импульсные цифровые устройства. – М.: Радио и связь, 1992. – 336 с.

23.Преснухин Д.В., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А.. Расчет элементов цифровых устройств. – М.: Высшая школа, 1991. – 526 с.

24.Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 464 с.

25.Токхейм Р. Основы цифровой электроники. – М.: Мир, 1988. – 392 с.

26.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. – М.: Радио и связь, 1989. – 352 с.

27. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – М.: Мир, 1986. –

Т. 1. – 597 с. – Т. 2. – 590 с.

28.Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. – М.: Высшая школа, 1987. – 416 с.

29.Хвощ С.Т., Варлинский Н.И., Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. – Л.: Машиностроение, 1987. – 640 с.

30.Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. – М.: Высшая школа, 1990. – 160 с.

31.Зельдин В.А. Цифровые интегральные микросхемы в информацион- но-измерительной аппаратуре. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 280 с.

32.Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 320 с.

33.Функциональные устройства на микросхемах / Под ред. В.З. Найдерова. – М.: Радио и связь, 1985, 199 с.

34.Мурадян А.Г., Разумихин В.И., Тверецкий М.С. Усилительные уст-

ройства. – М.: Связь, 1976. – 280 с.

35.Остапенко Г.С. Усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. –

400 с.

36.Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. – М.: Радио и связь, 1989. – 128 с.

37.Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. – М.: Мир, 1979. – 360 с.

38.Гольденберг Л.М., Малев В.А., Малько Г.Б. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. – М.: Радио и связь, 1992. – 256 с.

39.Проектирование импульсных и цифровых радиотехнических систем / Под ред. Ю.М. Казаринова. – М.: Высшая школа, 1985. – 320 с.

40.Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике. Справочник / Под ред. Б.Н. Файзулаева, Б.В. Тарабрина. – М.: Радио и связь, 1986. – 369 с.