Аналогово-цифровые преобразователи

Современные интеллектуальные микропроцессорные датчики уже могут реально осуществлять преобразование различных физических величин непосредственно в цифровую форму. Однако, процесс этот весьма сложен и кое-где непригоден. Поэтому наиболее рациональным является сначала преобразование технологического параметра в функционально связанные с ними аналоговые электрические сигналы, а затем с помощью АЦП напряжение-код в цифровые. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые.

Суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении непрерывной функции (например, напряжения) в последовательность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Рассмотрим АЦП последовательного, параллельного и интегрирующего типа.

Параллельные ацп

Чаще всего в качестве пороговых устройств параллельного АЦП используются интегральные компараторы. Компаратор (аналоговых сигналов) – усилитель с большим коэффициентом усиления, электронная схема, сравнивающая два аналоговых входных сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе больше чем на инверсном входе и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Рис. АЦП параллельного типа

Основой схемы являются компараторы (DA1, … DAn). Число усилителей DA выбирается с учетом разрядности кода. Например, для двух разрядов понадобится три компаратора, для трех - семь, для 4-х - 15. Опорные напряжения задаются с помощью резистивного делителя. Преобразуемое напряжение U_вх подается на вход компараторов и сравнивается с набором опорных сигналов, снимаемых с делителя. Если входное напряжение больше соответствующего опорного, на выходе компаратора будет логическая 1, на остальных - 0. Естественно, при входном напряжении равном 0 на выходах компараторов будут нули. При максимальном входном напряжении на выходах компараторов будут логические 1. Шифратор предназначен для преобразования полученной группы нулей и единиц в "нормальный" двоичный код.

Параллельный АЦП является самым быстродействующим из всех, поскольку компараторы работают одновременно. Но его существенным недостатком является большое число усилителей и резисторов. Например, для 10-ти разрядного АЦП понадобится 2¹⁰ - 1 = 1023 штук. Отсюда высокая стоимость параллельных АЦП.

Последовательные ацп

Рассмотрим схему АЦП последовательного счета.

На схеме буквами и символами обозначены следующие элементы: К - компаратор, & - схема "И", ГТИ - генератор тактовых импульсов, СТ - счетчик, #/A - ЦАП. На один вход компаратора подается входное напряжение, на второй - напряжение с выхода ЦАП. В начале работы счетчик устанавливается в нулевое состояние, напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю, а на выходе компаратора устанавливается лог. 1. При подаче импульса разрешения "Строб" счетчик начинает считать импульсы от генератора тактовых импульсов, проходящих через открытый элемент "И". Напряжение на выходе ЦАП при этом линейно нарастает, пока не станет равным входному. При этом компаратор переключается в состояние лог. 0 и счет импульсов прекращается. Число, установившееся на выходе счетчика и есть пропорциональный входному напряжению цифровой код. Выходной код остается неизменным пока длится импульс "Строб", после снятия которого счетчик устанавливается в нулевое состояние и процесс преобразования повторяется.

Рис. АЦП последовательного счета

Т.е. последовательно заполняется значение цифрового кода от 0 до поданного на вход числа.

Такие АЦП имеют низкое быстродействие. Достоинством является сравнительная простота построения.

Более быстродействующим являются АЦП последовательного приближения, с поразрядным уравновешиванием. В основе работы таких преобразователей лежит принцип дихотомии - последовательного сравнения измеряемой величины с ½, ¼, ⅛ и т. п. от возможного ее максимального значения.

Рис. АЦП с поразрядным уравновешиванием

В таком АЦП используется специальный регистр - регистр последовательных приближений. При подаче импульса "Пуск" на выходе старшего разряда регистра появляется логическая 1, а на выходе ЦАП напряжение U₁. Если это напряжение меньше входного, то в следующем по счету разряде регистра записывается еще 1. Если же входное напряжение меньше, то 1 в старшем разряде отменяется. Таким образом, методом проб перебираются все разряды от старшего до младшего. На всю операцию преобразования требуется импульсов ГТИ всего в два раза больше количества разрядов.

Т.е. сначала устанавливается 1 в максимальный бит, а затем последовательно «добавляя – вычитая» единички из других битов добиваются равенства цифрового кода значению поданного на вход числа.