10.8. Аналого-цифровые преобразователи
Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую предполагает две операции. Первая – дискретизация по времени. Она осуществляется с помощью устройств выборки-хранения, рассмотренных ранее. Вторая – дискретизация по уровню. Для этого предназначены аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
В простейшем случае АЦП представляют собой набор компараторов и логическое устройство, выдающее на выходе код, зависящий от того, какие компараторы сработали. На рис.10.14 показана схема такого 3-х разрядного АЦП. Подобные АЦП называются параллельными.
Рис.10.14. Схема параллельного АЦП
Весь диапазон входного сигнала разбит на восемь уровней, которые можно закодировать тремя двоичными разрядами. В соответствии с этими уровнями сформировано семь пороговых напряжений, которые подаются на семь компараторов. Все компараторы сравнивают входной сигнал со своим порогом. Входному сигналу сопоставляется цифровой код, соответствующий максимальному номеру компаратора, из тех, что сработали. Если ни один компаратор не сработал, то на выход подаётся код 000. Логическая схема, формирующая выходной код состоит из приоритетного шифратора и трёх триггеров, в которые записывается выходной сигнал импульсами синхронизации.
Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь MAX108 позволяет производить 1,5 млрд преобразований в секунду. Недостатком этой схемы является большой объём и сложность реализации. N-разрядный параллельный АЦП должен содержать 2N-1 компараторов и 2N согласованных прецизионных резисторов. Так, например, АЦП AD9060 содержит 512 компараторов.
Поэтому для приложений, где не требуется максимальная скорость преобразований, производится обмен быстродействия на экономию оборудования за счёт тактирования работы АЦП и использования одних и тех же компараторов для определения разных разрядов. В самом медленном варианте остаётся один компаратор, с помощью которого определяются все разряды (рис.10.15).
Рис.10.15. АЦП последовательного счёта: а) структурная схема,
б) временная диаграмма работы
Схема содержит счётчик, на который поступают счётные импульсы от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Код, сформированный в счётчике поступает в ЦАП, выходной сигнал которого используется в качестве порогового для компаратора. Код в счётчике начинается с нулевого и потактно возрастает на единицу. Как только сработает компаратор, подача импульсов на счётчик прекращается и достигнутый код подаётся на выход. На следующем цикле обработки на вход компаратора поступает очередное значение VIN, счётчик сбрасывается в ноль и подача импульсов на счётчик возобновляется.
В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис.10.15 представлена классификация АЦП по методам преобразования.
Рис.10.15. Классификация АЦП
Выбор АЦП для использования осуществляется адекватно приложению с учётом необходимых точности, быстродействия, потребления, габаритов и допустимой стоимости.
Постепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройством выборки-хранения, АЦП со сложной цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченные однокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от многих датчиков и передачу их на микро-ЭВМ. Структурная схема развитой системы сбора данных приведена на рис.10.16.
Рис.10.16. Структурная схема системы сбора данных
( УПК – усилитель с программируемым коэффициентом усиления, УВХ – устройство выборки-хранения, ИОН – источник опорного напряжения, ШД – шина данных)
В схему встроены устройство выборки-хранения и источник опорного напряжения. Для подключения к нескольким источникам входных аналоговых сигналов используется аналоговый мультиплексор. Чтобы сократить частоту прерываний главного процессора некоторые схемы сбора данных снабжаются оперативным запоминающим устройством типа FIFO (first input – first output, первый вошёл, первый вышел). Измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (УПК), входящий в систему, меняет свой коэффициент усиления по команде от схемы управления. Это позволяет выровнять диапазоны аналоговых сигналов с различных входов.
Примерами таких систем сбора данных могут служить, например, микросхемы AD7581, AD1B60 и LM12458.