экзаменационные вопросы и ответы / 44 АЦП / АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Под аналого-цифровыми преобразователями (ЦАП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации в аналоговой форме к информации в цифровой форме. Эти преобразователи широко используются для ввода в ЭВМ аналоговых данных, при цифровом изменении аналоговых сигналов, для перехода к цифровым сигналам, в системах автоматического регулирования и управления. Вместе с ЦАП рассматриваемые преобразователи используются в микропроцессорных устройствах.

Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения (полной шкалой). Точность определяется абсолютной погрешностью полной шкалы δ_пш , нелинейностью и дифференциальной нелинейностью, которые определяются, как у ЦАП, но только по отношению к входному сигналу. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования t_прб, т. е. интервалом времени от момента заданного измерения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода.

По структуре построения АЦП можно классифицировать на АЦП с применением ЦАП и без них. К первому типу относятся АЦП, структурные схемы которых приведены на (рис. 6) . В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развертывающего типа. Развертывающий АЦП переводит аналоговый сигнал в цифровой последовательно, начиная с самого младшего значения до уровня, пока выходное аналоговое напряжение ЦАП не уравняется с входным аналоговым напряжением АЦП. К этому типу АЦП можно отнести АЦП последовательного приближения со счетчиком.

На рис. 7 дана упрощенная схема АЦП последовательного счета. На многоразрядный счетчик поступает тактовая частота от генератора, который запускается в момент захвата входного аналогового сигнала. Выход счетчика управляет схемой ЦАП, вырабатывающей ступенчато-нарастающее напряжение. В момент, когда выходное напряжение схемы ЦАП сравняется с входным напряжением, компаратор переключается и останавливает счетчик, код в котором в этот момент будет соответствовать входному аналоговому сигналу. Время преобразования здесь наибольшее: Т_пр= τ2^N, где τ -время элементарной ступени; N—- число разрядов. Большая потребность в АЦП этого типа Послу­жила причиной разработки специализированной ИС К572ПВ1 (рис. 6.86,а), представляющей собой ЦАП со схемой управления и логическим устройством. При подключении компаратора мик­росхема К572ПВ1 может выполнять функции АЦП последовательного приближения с параллельным двоичным кодом на выхо­дах (рис. 8,6).

Рис. 6. Типы АЦП:

а — следящий; б — развертывающий;

в — поразрядного уравновешивания. Выводы: 1 — реверсивный счетчик; 2- счетчик; 3 — триггер; 4 — схема управ­ления; 5 — запоминающий регистр; 6 — аналоговый вход; 7 — цифровой парал­лельный выход; 8 — цифровой последо­вательный выход; S — синхроимпульсы; 10 — пусковой импульс; 11 — сброc

Наличие схем входной и выходной логики обес­печивает побайтовый вывод и ввод цифровой информации для со­гласования с 8-разрядной шиной данных.

С целью уменьшения числа вспомогательных элементов разра­ботан функционально законченный, совместный с МП серии K.58Q и другими, работающими с ТТЛ уровнями АЦП последовательного приближения.

Рис. 7. АЦП последовательного счета:

I — ЦАП; 2 — счетчик о логическим управлением; 3 — аналоговый вход; 4 — цифровой параллельный выход; S — пуск; S — сброс; 7 — тактовые импульсы; t — «сигнал «Стоп»

него приближения К1ИЗПВ1 (А, Б, В). БИС АЦП имеет внутренний источник опорного напряжения, тактовый генератор и компаратор напряжения. Для включения АЦП необходимы только источники питания и

формирователь преобразования.

Рис. 8. АЦП К572ПВ1:

а — функциональная схема; б — схема включения.

Выводы: 1 — цифровой последовательный вход; 2 — вход управления выходами старших раз­рядов; 3 – U_ип1; 4 (СЗР) ... 15 (МЗР) — цифровые входы (выходы); 16 — вход управления входами-выходами младших разрядов; 17 — вход управления режимом ЦАП-АЦП; 22 — выход «Цикл»; 23 — вход сравнения; 24 - U_ип2; 25 — вход тактовых импульсов; 26 — выход «Конец преобразования»; 27 — вход «Запуск»; 28 — вход «Цикл»; 29 — стробирование ЦАП; 36 — цифровая земля; 31 — конечный вывод матрицы R—2R; 32 — общий вывод резисторов R1 и R2; 40 и 41 — выводы резисторов R1 и R2; 42 — опорное напряжение; 43 к 44 — анало­говые входы / и 2; 4S — общий вывод резисторов аналоговых входов; 46 и 47 — аналоговые выходы 1 и 2; 48 — аналоговая «земля».

Схема построения АЦП приведена на рис.7. АЦП имеет выходные устройства с тремя устойчивыми состояниями, что упрощает его сопряжение с шинами данных МП: несколько АЦП могут обслу­живать один МП, и наоборот.

Рис. 9. АЦП K1l1ЗПВ1:

а — функциональная схема [1 — ЦАП; 2 — регистр последовательного приближения (РПП; 3 — буферный усилитель; 4 — компаратрр: 5 — схема управления сдвигом нуля; б — генера­тор; 7 — источник опорного напряжения; 8 — делитель; S — схема формирования сигнала «го­товность данных»; 10 — схема управления преобразованием и выводом данных]; б— схема включения. Выводы: 1 (9- й разряд) ... 9 (СЗР) — цифровые выходы; 10 – U_ип1; 11 - вход управления выводом и вводом данных; 12 — U_ип2; 13 — аналоговый вход; 14 — аналоговая «земля»; 15 — управление сдвигом нуля; 16 — цифровая «земля»; 17 — выход готовности дан­ных; 18 — МЗР; в — схема включения в МП систему.

Режим работы ИС в микропроцессорной системе определяет­ся управляющими импульсами от МП. При поступлении на вход «гашение и преобразование» ИС К1НЗПВ1 уровня логического нуля АЦП начинает преобразование входной информации. Через время, необходимое для преобразования на выходе АЦП «Готов­ность данных», появляется сигнал с уровнем логической единицы» запрашивающий вывод данных с АЦП на шину данных системы. МП, приняв данные в системную магистраль, устанавливает на входе «Гашение и преобразование» АЦП уровень логической едини­цы, который «гасит» информацию, содержащуюся в регистре по­следовательного приближения, и АЦП снова готов к приему и об­работке входных данных.

АЦП может обрабатывать входную информацию в виде однополярного аналогового напряжения до 10,24 В и двухполярного ±5,12 В. При включении АЦП в двухполярном режиме вывод 15 (управление сдвигом нуля) должен быть открыт, а в однополярном режиме его необходимо соединить с выводом цифровая «зем­ля». ИС КШЗПВ1 допускает предварительную установку смеще­ния нуля входного напряжения. В зависимости от точности регу­лирования и диапазона необходимой шкалы входного напряже­ния применяются различные варианты схем регулирования смещения. Так, при работе с максимальным диапазоном входного сигнала 10,24 В регулирование можно проводить переменным ре­зистором 100... 200 Ом, подключенным между источником сигна­ла и аналоговым входом (13).

Регулировку смещения нуля в диапазоне ± 1/2 единицы МЗР можно проводить переменным резистором 5... 50 Ом, подключен­ным с вывода 14 (аналоговая «земля») на «землю», а для уст­ранения влияния смещения в диапазоне ±3 единицы МЗР при­меняется более сложная схема, состоящая из четырех резисто­ров.

Еще одним примером законченного АЦП последовательного приближения может служить 10-разрядный быстродействующий АЦП ИС КН08ПВ1 (рис. 10), работающий совместно с ТТЛ ЦИС и имеющий время преобразования не более 0,9 мкс .

Рис. 10. АЦП последовательного приближения КП08ПВ1:

1— ЦАП; 2 — регистр последовательного приближения; 3 - выходной регистр на три состоя_; 4 — тактовый генератор; 5 — источник опорного напряжения; 6 — компаратор; 7 - ОУ. Выводы: 1(СЗР) ... 10 (МЗР) — цифровые выходы; ;1 — готовность данных; 12, 15, 16. 21 — частотная компенсация узлов схемы АЦП; 14 — цифровая «земля»; 13 — управление разряд­ностью выходных данных: 17 — аналоговый вход; I8 — опорное напряжение; 20 — общий; 19 — компенсация схемы опорного напряжения; 22 — вход запуска; 23 — вход внешних тактовых импульсов; 24 — вход разрешения считывания

Схема АЦП включает ЦАП, источник опорного напряже­ния, тактовый генератор, регистр последовательного приближе­ния и выходной регистр на три состояния с хранением информа­ции в течение последующего цикла преобразования. ИС КН08ПВ1 предусматривает работу в 10- и 8-разрядных режимах. Время преобразования аналоговой информации в 8-разрядный код не более 0,5 мкс. Десятиразрядный режим устанавливается подключением вывода 13 (укороченный цикл) к выводу 14 (циф­ровая «земля»), при 8-разрядном режиме вывод 13 соединяется с выводам 15.

ИС предусматривает работу в режимах с внутренним и внеш­ним источниками опорного напряжения. При работе с внутренним источником опорного напряжения необходимо вывод 19 (компенса­ция источника опорного напряжения) через резистор 1 кОм под­ключить на «землю». Внешнее опорное напряжение может быть подано на вывод 18, при этом вывод 19 подключается на «землю» через конденсатор 0,47 мкФ.

Работа микросхемы во времени определяется тактовыми им­пульсами (см. рис. 10). При работе с внутренним тактировани­ем выввд 23 (тактовый вход) необходимо через конденсатор ем­костью 25 пФ подключить на «землю». При внешнем тактирова­нии на этот вывод подаются тактовые импульсы системы (уро­вень ЭСЛ). Выборка АЦП производится по переднему фронту тактового импульса и длится 12 периодов. Преобразование ин­формации заканчивается выдачей сигнала АЦП в систему о го­товности данных (уровень логического нуля на выводе, готовность данных). Вывод информации из АЦП на шину данных осуществ­ляется по сигналу «Разрешение считывания» (уровень логиче­ского нуля ТТЛ), поступающего на вывод 24 от МП. ИС преду­сматривает высокоимпедансное состояние выходного регистра, для чего на вывод 24 необходимо подать напряжение 2,4 В. К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойно­го интегрирования и параллельного действия. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи, кроме того, для построения схемы АЦП не требуется схем ЦАП с высокоточными резистивными матрицами. Функциональная схе­ма АЦП двойного интегрирования показана на рис. 11 и напо­минает схему АЦП последовательного счета, в которой вместо ЦАП применен интегратор. Счетчик запускается от генератора в момент поступления на интегратор входного сигнала U_BX, из которого за время интеграции делается выборка.

Рис. 11. Метод АЦП двойного интегрирования:

а- функциональная схема (1 — ключ; 2 — пороговая схема; 3 — логическое устройство; 4 — делитель; 5 — генератор); б — эпюры напряжений

За время выбор­ки напряжение на выходе интегратора U_и увеличивается. В мо­мент t_и прямая интеграции заканчивается, входной сигнал от ин­тегратора отключается и к его суммирующей точке подключает­ся эталонный резистор. От времени t_и до моментов t₁ ... t₂ про­должается разряд интегратора (обратная, вторая интеграция) с постоянной скоростью. Интервалы времени от t_и до нулевых от­меток (t₁,t₂,,t₃) пропорциональны уровню входного сигнала. Су­щественным преимуществом преобразователя считается простота синхронизации с напряжением сети, а значит, и простота ком­пенсации сетевых наводок. Примером ИС, предназначенной для построения АЦП двойного интегрирования, может служить БИС АЦП КР572ПВ2, включающая аналоговые КМ ОП схемы ком­паратора и ОУ, а также цифровые КМОП схемы. На рис. 6.90 приведена основная схема включения этого АЦП. При подклю­чении трех внешних резисторов и пяти конденсаторов БИС КР572ПВ2 выполняет функцию АЦП, работающего по принципу двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и автоматическим определением полярности входного сигнала. Та­ким образом, эта ИС представляет собой электронную часть цифрового вольтметра. Шкалы измеряемого входного сигнала — до ±1,999 В и до ±199,9 мВ. Цифровая информация на выходе АЦП представляется в семисегментном коде.

Рис. 12. АЦП двойного интегрирования К572ПВ2.

Выводы: I — 1/„ _П1; 2 ... S — цифровые выходы младшей цифры dl, cl,b1, a1 ,fI, g[, el соответственно; 9 ... 14 — цифровые выходы dlO, с]0, b10. a10, f10, e10; 15 ... 18 — цифровые выходы d100,b100, f1ОО, e100; 19, 20 — цифровые выходы dc10ОО, g1000; 21 — общий; 22 ... 24— цифровые выходы glOO, a100, с10О; 25 — g10; 26 —Uип2; 27 — конденсатор интегратора; 28 — резистор интегратора; 29— конденсатор автокоррекции; 30— аналоговый вход / ( + ); 31— ана­логовый вход 2; 32 — аналоговый выход; 33, 34 — опорный конденсатор; 35, 36 — опорное напряжение ( + ) и (—); 37 — контрольный вход; 38 — конденсатор генератора; 39 — резистор генератора; 40 — вход генератора ТИ

Цифровой отсчет производится на 3,5-декадном индикаторе. В табл. 6.17 приведены значения номиналов навесных элементов для f_такт = 50 кГц При необходимости использовать другое значение f_такт номинал С₅ можно определить по формуле С5=0,45/(f_такт R ₃). Для повышения стабильности тактовой частоты может быть использован кварцевый резонатор, подключаемый между выводами 39 и 40, при этом элементы С5 и R3 не используют. При работе от внеш­него генератора тактовые импульсы подают на вывод 40, а выво­ды 38 и 39 не используют.