11.15. Аналого-цифровые преобразователи
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) - обязательный элемент всех устройств цифровой электроники, которые обрабатывают непрерывно изменяющиеся сигналы. Как правило, АЦП преобразуют в цифру (код) электрическое напряжение. Конечное число разрядов получаемого кода обусловливает систематическую погрешность преобразования - ошибку квантования.
В общем случае АЦП состоит из двух частей: устройства выборки и хранения (УВХ) и собственно АЦП. УВХ запоминает (например, на конденсаторе) измеряемое напряжение в какой-то момент времени и удерживает его неизменным до тех пор, пока собственно АЦП не осуществит преобразование этого постоянного напряжения в код. Один из способов преобразования - подбор напряжения, цифровое значение которого известно и которое при этом равно измеряемому.
Получить источник электрических напряжений с известным цифровым эквивалентом позволяет схема, состоящая из регистра триггеров и ЦАП. Если, например, такой регистр представляет собой счетчик импульсов, то каждый очередной импульс увеличивает значение хранимого в нем кода на единицу. Напряжение на выходе ЦАП возрастает при этом на одну градацию, и такими единичными приращениями его можно увеличить до уровня измеряемого напряжения (разумеется, с точностью до одной градации).
Если описанным или каким-нибудь другим способом будет установлено состояние регистра, при котором напряжение на выходе ЦАП и измеряемое равны, то код в регистре и будет искомым цифровым значением измеряемого напряжения.
Описанный алгоритм поиска называется методом единичных приращений. Он напоминает процесс взвешивания, при котором на одну чашу кладут груз, равный постоянному напряжению на выходе УВХ, на вторую - одну за другой гирьки единичной массы. Если при очередном добавлении чаша с гирями перетянет, то число гирь на ней - цифровое значение измеряемого напряжения.
Роль «электронных весов» выполняет компаратор (от лат. comparator - сравниваю). Он имеет два входа и один выход. Если напряжение на первом входе меньше, чем на втором, то на выходе - логическая единица, если же наоборот - на выходе логический нуль. Простейший компаратор представляет собой операционный усилитель, ко входам которого подведены сравниваемые напряжения, а выходные сигналы положительного и отрицательного насыщения усилителя преобразованы в логические нуль и единицу выбором напряжения источника питания и диодной схемой фиксации уровня (рис. 11.37).
Рис. 11.37. Компаратор на ОУ
Более быстрый метод нахождения кода - поразрядное уравновешивание. В нем используются не единичные приращения, а скачки напряжения величиной в 1, 2, 4, ..., 2n-1, причем сначала включается напряжение 2n-1, затем к нему добавляется 2n-2 и т. д. до единицы. После каждого добавления анализируется сигнал компаратора. Если компенсирующее напряжение превысило измеряемое, последнюю добавку «снимают», сбрасывая в нуль триггер соответствующего разряда, если же нет - триггер оставляют в состоянии 1 и переходят к следующему разряду.
В итоге требуется n процедур сравнения в отличие от 2n при методе единичных приращений, что обусловливает более высокое быстродействие АЦП с по разрядным уравновешиванием.
Рис. 11.38. Следящий АЦП
На рис. 11.38 пояснена структура АЦП следящего типа. Сигнал 1 на выходе компаратора переводит счетчик в режим суммирования, а сигнал 0 - в режим вычитания, поэтому напряжение на выходе ЦАП постоянно следит за входным напряжением, а число в счетчике является его цифровым аналогом.
В основу действия АЦП могут быть положены различные физические принципы, но во всех случаях имеет место одна и та же закономерность: повышение быстродействия ведет к увеличению погрешности преобразования.
Современные АЦП преобразуют в цифру мгновенные значения напряжения со скоростью от тысяч до миллионов раз в секунду, а наиболее быстрые из них производят одно преобразование за несколько наносекунд, т. е. за миллиардные доли секунды.