11. Аналого-цифровые преобразователи. Классификация. Область применения. Параллельные ацп. Ацп поразрядного взвешивания.

А ЦП – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов. В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д.

Процесс АЦП предполагает последовательное выполнение следующих операций:

• выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во времени;

• квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;

• кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.

Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене бесконечного множества её значений на некоторое конечное множество значений , называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь диапазон изменения функции D=U(t)_max-U(t)_min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования U^_n(t).

Величина h=D/N носит название шага квантования. В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция U(t) заменяется дискретной функцией U^_n(t). В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением

,где U(t)_i - значение функции U(t) в i-м шаге;h - шаг квантования;  k_i - погрешность преобразования на i-м шаге.

Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности _i , значение которой определяется неравенством

. Погрешность зависит от разрядности.

Основные параметры АЦП делятся на статистические и динамические.

К статистическим относятся:

• вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое перемещение и т.д.;

• диапазон изменения входных величин;

• разрядность;

• абсолютная разрешающая способность;

• абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы _шк ;

• нелинейность преобразования L.

К динамическим параметрам относятся:

• время преобразования T_пр, обычно определяется как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого цифрового кода;

• максимальная частота дискретизации, при которой погрешность преобразования не выходит за заданные пределы.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся на АЦП параллельного преобразования, АЦП поразрядного взвешивания, следящие АЦП и интегрирующие АЦП. АЦП параллельного преобразования реализуют метод непосредственного считывания и являются самыми быстродействующими.

В качестве примера рассмотрим принцип работы микросхемы К1107ПВ1.

Микросхема имеет 6 разрядов и обеспечивает быстродействие до 20 МГц.

Устройство содержит делитель R₁R64, 64 компаратора, преобразователь кода и регистр. На входы компараторов поступают входной сигнал U_x и напряжение с делителя. При этом на выходах компараторов формируется 64-разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования. Полученный единичный код поступает на вход преобразователя кода, в котором он преобразуется в 6 - разрядный двоичный код. Полученный двоичный код записывается в регистр и выдается на выходные шины.В данном АЦП время преобразования занимает один такт.

А ЦП поразрядного взвешивания (или поразрядного кодирования) выполняет одно преобразование за n тактов.

Основой АЦП является регистр последовательных приближений. Он представляет собой сдвигающий регистр, в котором последовательно, начиная со старшего разряда, формируется логическая единица. В зависимости от сигнала U_упр, поступающего на его вход, эта единица или остается, или заменяется логическим “0”. Резистивная матрица формирует аналоговое напряжение, эквивалентное “весу” цифрового кода, поступающего на матрицу с регистра приближений. Схема сравнения сравнивает напряжения U_x и U_м, и в зависимости от их величин формирует сигнал U_упр. на уровне лог."0" или лог."1" .

Рассмотрим пример:

Пусть U_x=7в, а U₀=10в, тогда в первом такте в старшем n разряде регистра формируется лог."1" и U_м=5в, U_м< U_x; U_упр.=1. Следовательно, в старшем разряде остается лог."1".

Во втором такте, в следующем n-1 разряде формируется лог."1" и U_м=5в+2,5в=7,5в; U_м> U_x; U_упр.=0. Следовательно, единица в n-1 разряде заменяется на лог."0" и U_м=5в.

В третьем такте в разряд n-2 регистра записывается лог."1" и U_м=5в+1,25в=6,25в, U_м< U_x; U_упр.=1. Следовательно, лог."1" в n-2 разряда остается.

В четвертом такте в разряд n-3 регистра записывается лог."1" и U_м=5+1,25+0,625=6,875в, U_м< U_x; U_упр.=1. Следовательно, лог."1" остается в разряде n-3.

Процесс преобразования повторяется n тактов, в результате с регистра приближений снимается код преобразованной аналоговой величины.

АЦП поразрядного взвешивания нашли широкое применение при разработке ИС ввиду своей простоты и достаточно хорошего быстродействия. Такие ИС могут иметь в своем составе генератор тактовых импульсов и источник эталонного напряжения или не иметь их.

В качестве примера рассмотрим АЦП, выполненное на ИС К1113ПВ1.

ИС предназначена для преобразования однополярного или биполярного аналогового напряжения (U_вх=0  10в или U_вх= -5в  +5в) в десятиразрядный двоичный код. Нелинейность преобразования 0,1%, время преобразования 30мкс. Для работы ИС требуется два источника питания +5в и –15в.

В микросхему встроен внутренний источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов.

Запуск АЦП производится лог."0". Цифровая информация с выходных шин снимается через 30мкс после поступления сигнала “Гашение-преобразование”. T_{преобр.}=30 мкс. Работа АЦП поясняется временной диаграммой его работы (рис. 168, б)

Следящие АЦП в отличие от АЦП поразрядного взвешивания имеют в своем составе вместо регистра последовательных приближений реверсивный счетчик.

Р абота АЦП поясняется временной диаграммой работы (Рис.169). Управление реверсивным счетчиком производится по управляющей шине “” в зависимости от соотношения сигналов U_x и U_м. При изменении входного сигнала U_x изменяется код реверсивного счетчика и напряжение с матрицы U_м “следит” за U_x.