3.10. Аналого-цифровой преобразователь.
Большинство технических устройств получения информации формируют аналоговый сигнал, в то время как для цифровых систем эти сигналы должны быть поданы в цифровом виде. Для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму применяют специальные преобразователи, которые называются аналого-цифровыми или сокращенно АЦП. Принцип преобразования аналогового сигнала в цифровой код состоит из нескольких этапов. На первом этапе происходит превращение непрерывного аналогового сигнала в дискретный сигнал постоянного уровня. Для этого, как показано на Рис. 59а., непрерывно меняющийся во времени аналоговый сигнал разбивают (квантуют) на равные временные участки «t», в течении которых затем выдерживают этот сигнал на постоянных уровнях. Затем каждый из этих уровней преобразуют в цифровой код.
Структура аналого-цифрового преобразователя (АЦП) показана на Рис. 59г. Основой такого преобразователя является пороговый элемент, на вход которого подаются два сигнала: постоянный в течении времени преобразования «t» по уровню аналоговый сигнал и ступенчатый по уровню опорный сигнал. Опорный сигнал является инструментом измерения уровня аналогового сигнала. Ступени опорного сигнала формируются следующим образом. Произвольно исходя из конкретных параметров АЦП, выбирается наименьшая ступень опорного сигнала, численно равная одной двоичной единице. Следующая ступень опорного сигнала берется вдвое больше первой и в ней содержится уже двоичное число два. Следующая ступень также удваивается как по уровню так и по числовому значению. Число ступеней опорного сигнала численно равно разрядности выходного сигнала АЦП, а ширина каждой ее ступени «t1» определяется временем преобразования «t», поделенном на число ступеней (или разрядность АЦП). Структура опорного сигнала показана на Рис.59б.
Принцип работы АЦП состоит в следующем. Первоначально на вход порогового элемента одновременно с постоянным уровнем аналогового сигнала подается наибольшая ступень опорного сигнала. Если уровень опорного сигнала будет выше уровня аналогового, то через время «t1» эта ступень отбрасывается , а на выходе порогового элемента в старшем разряде цифрового кода сигнала записывается нулевой символ. Если же уровень опорной ступени меньше уровня аналогового сигнала, то эта ступень фиксируется на входе порогового элемента, а на его выходе появляется единичный символ в соответствующем разряде цифрового кода. В следующий временной цикл «t1» на вход порогового элемента подается последующая ступень опорного сигнала, в двое меньшая предыдущей, которая может уже складываться с фиксированной на входе одной из предыдущих ступеней. Выходной результат определяется выше описанным образом. Последовательность формирования символов цифрового кода в процессе преобразования аналогового
сигнала с уровнем «у» показана на Рис. 59в.
Принципиальное устройство одного из вариантов АЦП показано на Рис. 60.
В качестве порогового элемента в этом устройстве взят компаратор «К», который как пороговый элемент формирует на выходе один из сигналов высокого уровня (1) или низкого уровня (0). Аналоговый сигнал постоянного уровня после временного квантования подается на его отрицательный вход, а на положительный вход компаратора через распределитель и транзисторные ключи (Т1, Т2, Т3, Т4) последовательно подаются ступени опорного напряжения, уровень которых зависит от величины сопротивлений (R1, R2, R3, R4). Распределитель последовательно подает единичные импульсы к транзисторным ключам и к логическим ключам «И». один из входов которых соединен с выходом компаратора «К». Выходные сигналы ключей «И» подключены к «S» входам триггеров регистра.
Рис. 59. Структура и принцип работы АЦП.
Принцип работы этой схемы следующий. Перед началом преобразования (при t=0) на шину сброса подается единичный импульс, который перебрасывает все триггеры регистра преобразователя в нулевое состояние. Затем на распределитель последователь подаются тактовые единичные импульсы с частотой «t1». В результате этого на выходе распределителя появляются импульсные сигналы G1, G2, G3, G4, которые через диоды D1, D2, D3, D4 последовательно открывают соответствующие транзисторные ключи Т1, Т2, Т3, и Т4, которые в свою очередь подключают на положительный вход компаратора соответствующую ступень (первоначально наибольшую) опорного сигнала через резисторы R1, R2, R3, R4. Одновременно на отрицательный вход компаратора подается отквантованный по времени и уровню аналоговый сигнал (Рис.59в). Если уровень опорного сигнала будет меньше уровня аналогового, то на выходе компаратора появится единичный импульс, который перебросит триггер старшего разряда с выходом «Q4» в единичное состояние и этим сигналом оставит транзисторный ключ «Т1» через диод «D5» в открытом состоянии, поэтому наибольшая ступень опорного напряжения останется на входе компаратора, а в старшем триггере регистра преобразователя будет зафиксирован единичный символ.
. Если уровень опорного сигнала будет выше уровня аналогового то на выходе компаратора останется нулевой потенциал, который не откроет логического ключа «И», поэтому оставит указанный триггер в нулевом состоянии, в результате чего в конце такта «t1» исчезнет сигнал G1, в результате чего транзистор Т1 закроется и наибольшая ступень опорного напряжения исчезнет со входа компаратора, а в старшем триггере регистра преобразователя будет зафиксирован нулевой символ.
Рис.60. Принципиальное устройство АЦП.
После этой процедуры распределитель аналогично формирует выходной сигнал G2, коиорый по такому же принципу подключает следующую ступень опорного сигнала через сопротивление R2. После чего компаратор сравнивает ее с уровнем аналогового сигнала. Такие процедуры заканчиваются после того, как все ступени опорного сигнала будут опрошены и в соответствующих триггерах регистра преобразователя будут зафиксированы соответствующие символы.