2. Аналого-цифровые преобразователи

Преобразование аналоговой величины в код может выполняться методом последовательного счета, методом поразрядного уравновешивания или методом одновременного считывания. Согласно методу последовательного счета, аналоговая величина А сравнивается с известным числом , причем, n увеличивается от 0 до N_K через равные интервалы времени. Величину А_К называют квантом. При некотором значении наступает равенство (строгое или приближенное) . Так как обычно А_К равно единице измерения, то – число, выражаемое двоичным или двоично-десятичным кодом.

При методе поразрядного уравновешивания n – разрядная кодовая комбинация сравнивается с аналоговой величиной А n раз. При каждом сравнении проводится коррекция разрядов кодовой комбинации от старшего разряда к младшему.

Суть метода одновременного считывания состоит в том, что с аналоговой величиной А сравниваются N = 2ⁿ известных величин, выраженных кодовыми комбинациями. Кодовая комбинация, значение которой наиболее близко к значению величины А, проходит на выход АЦП.

Рассмотрим каждый из методов более подробно.

2.1. Ацп последовательного счета.

Структурная схема АЦП приведена на рис. 33.4, а. В состав схемы входят задающий генератор ЗГ, реверсивный счетчик импульсов СТ, ЦАП, аналоговый компаратор К и вентиль D. Работа схемы иллюстрируется графиками рис. 33. 4, б.

Задающий генератор вырабатывает импульсы счета U_c с частотой дискретизации преобразуемой величины. Эти импульсы поступают на счетный вход реверсивного счетчика. Счетчик имеет вход разрешения счета , вход направления счета и один счетный вход С. Для организации счета в прямом направлении на вход необходимо подать низкий уровень напряжения, для счета в обратном направлении – высокий. Число импульсов, поступивших на вход С, отображается состоянием выходов Q1 – Q4. Такой счетчик может быть реализован ИС К555ИЕ13.

Допустим, что на инвертирующий вход компаратора поступает входной аналоговый сигнал – положительное напряжение U_вх (пунктирная линия графика на рис. 33.4, б). Рассмотрим работу схемы с момента времени t = 0, когда на схему подано напряжение питания.

В момент времени t = 0 реверсивный счетчик находится в нулевом состоянии, т. е. Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 0. Напряжение на выходе ЦАП также равно нулю: U_ЦАП = 0. Следовательно, U_ЦАП – U_вх < 0, и на выходе компаратора формируется отрицательное напряжение. Это напряжение запирает диод D и падает на его большом сопротивлении. На вход воздействует низкий уровень напряжения. Начинается счет импульсов задающего генератора U_с на сложение. С каждым импульсом U_с код счетчика и соответствующее ему напряжение U_ЦАП увеличиваются.

Увеличение U_ЦАП продолжается до момента времени t₁, после которого оно становится больше U_вх. Компаратор переключается в состояние положительного напряжения, которое через диод D передается на вход и переводит счетчик в режим работы на вычитание. Очередной импульс задающего генератора уменьшает код счетчика, уменьшается U_ЦАП, и компаратор вновь переключается в первоначальное состояние. Далее процессы повторяются, при этом напряжение на выходе компаратора колеблется около значения U_вх. Выходной сигнал ЦАП снимается с выходов Q1 – Q4 и отображает U_вх в цифровой форме.