3.1.1 Классификация ацп
Исходя из материала, приведённого в данном разделе, АЦП можно классифицировать по рисунку 3.12.
Рисунок 3.12 – Классификация АЦП
Об интегрирующих АЦП можно сказать, что им вследствие операции интегрирования присуще свойство усреднения: заряд, получаемый конденсатором при протекании среднего тока, поступающего на аналоговый вход, сравнивается с зарядом, обеспечиваемым известным образцовым током.
Двухтактные времяимпульсные АЦП и частотно-импульсные АЦП, являясь интегрирующими, вследствие своей структуры и алгоритма работы не реагируют на помеху, попадающую на вход. Для этого при проектировании соблюдаются условия кратности между длительностью прямого интегрирования (в частотно-импульсном – интервала преобразования) и периодом сигнала помехи.
Токовые кодоимпульсные АЦП обладают более высоким быстродействием за счёт использования для обработки параметра «величина тока». Созданы генераторы тока, меняющие величину задающего тока за время 10–20 нс и менее.
Параллельно-последовательные АЦП являются компромиссным вариантом: при приемлемой сложности схемы они обладают большой разрядностью (10–16 разрядов) и не очень большой потерей быстродействия относительно параллельных преобразователей. В них весь преобразователь разбивается на группы: внутри группы идёт параллельное преобразование, а группа за группой работают последовательно.
Преобразователи угловых и линейных перемещений в код с «кодовой маской» реализуют максимальное быстродействие, являясь по сути преобразователями параллельного типа.
3.2 Понятие цифро-аналогового преобразования
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) могут применяться как в составе отдельных функциональных звеньев, так и как самостоятельный узел. Классификаций ЦАП существует много. Простейшая из них – это деление на матричные и безматричные. Матричные ЦАП делятся на приведённые ниже группы. Первая из них – с делением напряжения, рисунок 3.13.
Рисунок 3.13 – Кодоуправляемый делитель напряжения
В процессе развития такие кодоуправляемые делители напряжения разбивались на m групп с целью минимизации величины исходных сопротивлений резисторов. Для увеличения точности при их изготовлении увеличивают число групп до значения, равного числу двоичных разрядов, используя схему по рисунку 3.14. Здесь число групп m равно числу двоичных разрядов n. Резисторы имеют два номинальных значения R и 2R.
Рисунок 3.14 – Делитель напряжения типа R-2R
Для такой схемы дискретного делителя напряжения выходное напряжение определяется следующим образом:
(3.10)
где
–квант ЦАП;
N
– число, код
которого подается на кодоуправляемый
делитель напряжения.
Для этой схемы выходное сопротивление Rвых = R = const. Входное сопротивление изменяется в широких пределах в зависимости от состояния ключей. Показано, что Rвх min будет при чередовании состояний (0; 1) в разрядах:
Rвх min » 9R / (n + 1). (3.11)
Быстродействие ЦАП лимитируют:
– переходные процессы из-за паразитных ёмкостей и индуктивностей резисторов, соединительных проводов;
– задержки, обусловленные выходом из насыщения транзисторов в переключателях.
Уменьшение величин паразитных ёмкостей и индуктивностей достигается за счёт тонкоплёночных наборов резисторов в виде матриц. Изготавливаются они для ЦАП с использованием взвешенных резисторов, сопротивление которых зависит от номера разряда: Rn = 2n-mR. Их типы: R–2R– 4R–8R– … ; R– 2R. В матрицах номинальная величина R выдерживается с погрешностью несколько процентов, но отношение выдерживается с малой погрешностью, менее 0,01 %. Матрицы выпускаются размерностью до 16 двоичных разрядов в корпусах ИС.
Так как паразитные ёмкости и индуктивности сказываются только при изменении тока через резистор, то надо сделать, чтобы при смене кодов не изменялись токи, протекающие через резисторы. Также увеличивает быстродействие замена активных элементов в переключателях на ненасыщенные (ДБШ, ПТШ, ДБШ + биполярный транзистор). Схему такого преобразователя «код-напряжение» (ПКН) можно представить в виде по рисунку 3.15. Здесь суммирование напряжений заменяется суммированием токов. Для получения токов в разрядах Ii применяются схемы, по своим свойствам приближающиеся к идеальным источникам тока.
Рисунок 3.15 – Преобразователь по параметру «сила тока»
Таким образом, вторая группа матричных ЦАП – токовые ЦАП. Токовый ЦАП со взвешенными резисторами имеет схему, представленную на рисунке 3.16. На инвертирующем входе операционного усилителя (ОУ) напряжение равно нулю, независимо от состояния переключателей. Ток в i-м разряде может быть:
,
(3.12)
или
Ii
=
0
(по коду). Ток
, а
uo
=
–IåRoc
пропорционально
коду
N.
Рисунок 3.16 – ЦАП со взвешенными резисторами
Формирование выходного напряжения токового ЦАП производится различными способами, например, приведёнными ниже. При малой Сн и малом uвых – по рисунку 3.17.
Рисунок 3.17 – ЦАП с малым выходным напряжением
Для большого диапазона выходного напряжения или малых величин Rн и больших Cн применяют схемы по рисунку 3.18.
Рисунок 3.18 – ЦАП с большим выходным напряжением
Для получения большого значения uвых и увеличенного быстродействия заменяют выходные узлы ОУ. Характеристики ЦАП можно разделить на две группы: динамические и преобразования. Характеристики преобразования даны на рисунке 3.19.
Рисунок 3.19 – Характеристики преобразования ЦАП
На рисунке 3.20 приведены возможные разновидности нелинейности характеристики преобразования ЦАП.
Рисунок 3.20 – Нелинейность характеристики преобразования ЦАП
Ниже на рисунке 3.21 приведены основные динамические параметры ЦАП.
А) Время установления выходного сигнала: время от момента изменения кода на входе от минимального до максимального до момента, когда значение выходного сигнала отличается от установившегося на заданную величину (0,5 ЕМР).
Б) Время задержки распространения: время от момента достижения входным сигналом уровня 0,5 своего значения до момента достижения выходным сигналом уровня 0,5.
В) Время нарастания – время, за которое выходной сигнал изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения.
Д) Время переключения – время от момента изменения входного кода до достижения на выходе уровня 0,9.
Рисунок 3.21 – Основные динамические характеристики ЦАП