6.3.2 Ацп поразрядного кодирования.

Данный тип АЦП часто называют АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием. Схема АЦП поразрядного кодирования приведена на рис. 6.7. Основой устройства являются регистр последовательного приближения (РПП). Алгоритм его работы следующий: по каждому импульсу ГТИ РПП последовательно, начиная со старшего разряда, формирует на выходе Qсигнал логической «1», который в зависимости от сигнала, поступающего на его управляющий вход с выхода компаратора либо остается неизменным, либо заменяется сигналом логического «0». Временные диаграммы работы АЦП поразрядного кодирования приведены на рис. 6.8.

Рис. 6.7. Схема АЦП с поразрядным кодированием

В момент времени t₀по сигналу «ПУСК» в выходной статический регистр РПП, выполненный наRS-триггерахDD_3.1,DD_3.2 …DD_3.n, записывается код, содержащий «1» только в старшем разрядеQ_n. Этот код при помощи ЦАП преобразуется в напряжениеU_0RN1, которое на выходе компаратораDAсравнивается с входным напряжением устройства. ЕслиU_0RN1 >U_вх, то на выходе компаратора формируется единичный сигнал, еслиU_0RN1 <U_вх— нулевой сигнал.

Одновременно сигналом «ПУСК» в младший разряд Q₀сдвигового регистраDD₁РПП по фронту ГТИ так же записывается сигнал логической 1. Этот сигнал открывает логический переключатель на элементе 2ИDD_2.1 и выходной сигнал компаратора передается на входRтриггераDD_3.1. При этом еслиU_0RN1 >U_вх, то триггерDD_3.1 сбрасывается и на выходе РПП формируется нулевой код. В противном случае(U_0RN1 <U_вх) триггерDD3.1 остается установленным и на выходе РПП сохраняется код с единицей в старшем разряде.

Следующий фронт ГТИ сдвигает код записанный в DD₁влево. В результате этого сигнал логической «1» перемещается в его первый разряд (Q₁), что устанавливает триггерDD_3.2. На выходе РПП формируется код, содержащий единицу в разрядеQ_n-1, а на выходе ЦАП — новое значение напряжения, равноеU_0RN2. Это напряжение также сравнивается сU_вх. Так как сигнал логической единице присутствует только на выходеQ₁регистраDD₁, то выходной сигнал компаратораDА может воздействовать на входRтолько триггераDD_3.2. При этом, еслиU_0RN2 >U_вх, тоDD_3.2 сбрасывается, а еслиU_0RN2 <U_вх— триггер остается установленным.

Рис. 6.8. Временные диаграммы работы АЦП поразрядного кодирования

Следующий импульс ГТИ сдвигает код, записанный в DD₁влево и процесс продолжается аналогично описанному до тех пор, пока сигнал логической 1 не достигнет старшего разрядаQ_nрегистраDD₁. В этом случае по импульсу ГТИ регистрDD₁устанавливается в нуль и процесс преобразования завершается. Искомое значение выходного кода считывается с выхода РПП.

Из приведенного алгоритма следует, что число импульсов, необходимое для выполнения преобразования, равно разрядности выходного кода АЦП, т.е. время преобразования равно:

,

где b— разрядность АЦП.

Ввиду своей достаточной простоты и хорошего быстродействия данный тип АЦП находит широкое применение.

6.4 Цифро-аналоговые преобразователи (цап). Структура, основные характеристики и параметры.

Подсистема вывода информации, связывающая управляющую ЭВМ или МП систему с аппаратурой управления технологическим процессом.

Это обусловлено тем, что основные исполнительные механизмы управления технологическим процессом рассчитаны на аналоговые сигналы, поэтому они должны иметь устройство, преобразующее цифровые коды в аналоговые сигналы.

Устройство преобразования цифрового кода в пропорциональное ему значение аналоговой величины (напряжения - U, или тока -I) называетсяцифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Большинство ЦАП состоят из 5 функциональных элементов или модулей (см. рис. 6.9.):

• регистр и схема управления;

• аналоговые ключи;

• источник опорного напряжения;

• декодирующая схема;

• суммирующий усилитель.

Рис. 6.9. Основные функциональные блоки ЦАП и их возможная компоновка

Основные различия ЦАП касаются способов соединения и изготовления модулей. К основным характеристикам ЦАП относят:

• точность;

• разрешающая способность;

• время преобразования;

• диапазон изменения выходной величины;

• полное выходное сопротивление (Z_вых);

• температурный коэффициент нестабильности.

Точность— определяется отклонением действительной выходной аналоговой величины от ее теоретического значения. На точность ЦАП влияют значения основных параметров и температурные дрейфы: эталонного источника, суммирующего усилителя, декодирующей схемы и аналоговых ключей.

Разрешающая способность— минимальное значение входной величины, которое определяет соответствующее изменение выходной величины

,

где n— разрядность кода.

Чем больше разрядность цифрового кода на входе ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Время преобразования— интервал времени между поступлением цифрового кода на вход ЦАП и временем установления соответствующего ему значения напряжения или тока на выходе. Оно определяется в основном быстродействием ключей и декодирующей схемы.

Под диапазоном изменения напряжения (U) или тока (I)— понимают полную шкалу изменения напряжения от 0 доU_выхmaxили тока от 0 доI_выхmax.

Полное выходное сопротивление ЦАП (Z_вых)— определяется со стороны выходных зажимов. Оно зависит в основном от выходного сопротивления суммирующего усилителя и имеет порядок сотен Ом.

Температурный коэффициент нестабильности (ТКН) ЦАП — определяется степенью изменения выходного напряжения (U) или тока (I) от температуры (%/⁰С) в рабочем диапазоне температур. В рабочем диапазоне температурt=0-40⁰С (до20⁰С) при ТКН=0,01%/⁰С получим значение относительной погрешности ЦАП от температуры на краю диапазона=0,2%.

Построение схем, аналоговых ключей, источников опорного напряжения, суммирующих усилителей и регистров рассмотрено в соответствующих разделах. Рассмотрим специфические для ЦАП декодирующие схемы.

Декодирующая схема— предназначена для обеспечения на ее выходе аналогового значение напряжения или тока, значения которых должны быть пропорциональны входному цифровому коду. Процесс декодирования предполагает подключение напряжения или тока определенной величины посредством аналоговых ключей и суммирование результирующих напряжений или токов соответствующим образом. Каждая цифра декодируемого числа управляет отдельным аналоговым ключом, и величина сигнала от эталонного источника взвешивается в соответствии со значением позиции кода, числа.

Различают схемы с взвешенными резисторами и цепные многозвенные резистивные схемы.