Аналого-цифровые преобразователи прямого действия

Существует много АЦП данного типа, а каждая схема имеет множество модификаций. Далее будут рассмотрены только несколько вариантов таких АЦП, отличающихся высоким быстродействием.

В настоящее время наиболее распространён АЦП интегрирующего (следящего) типа (см. рисунок 7.1). Для работы ЦАП используется источник образцового напряжения ИОН (V_R), который выдаёт в схему опорное напряжение U_оп. Принцип работы можно понять из рассмотрения его функциональной схемы.

Импульсом запуска U_З (не показан) счётчик импульсов СИ –СЧЁТЧИК устанавливается в нулевое состояние и подключается измеряемое напряжение V_x к устройству сравнения УС (на базе ОУ).

На выходе УС начинает действовать напряжение V_С, которое подаётся на один из входов электронного ключа ЭК (логическая схема совпадения И) (см. рисунок 7.1,а).

На второй его вход подаются тактовые импульсы f_c с частотой 1 МГц от генератора импульсов ГИ (не показан).

Рисунок 7.1 - Интегрирующий АЦП (а) и временные диаграммы работы (б)

ЭК, как элемент совпадения, пропускает эти импульсы на вход счётчика СИ. СИ начинает считать импульсы и выдаёт на выходе кодовые двоичные комбинации. При 8-ми разрядном счётчике это последовательность кодовых чисел: 00000001; 00000010; 0000011,….,11111111. Эти кодовые числа поступают на вход 8-ми разрядного цифроаналогового преобразователя ЦАП. ЦАП преобразует кодовые комбинации в дискретные значения компенсационного напряжения V_f. На рисунке 7.1,б приведен ступенчатый график образования напряжения V_f . Когда наступит момент, что V_Х – V_f > 0, сработает УС, V_С = 0 и ЭК будет закрыт для прохождения тактовых импульсов. Кодовая комбинация передаётся из счётчика на преобразователь кодов и устройство индикации.

Из временных диаграмм сигналов, показанных на рисунке 7.1,б, видно, что самое большое время преобразования требуется для максимального значения v_x(t), при котором счётчик будет полностью заполнен , то оно будет равно 2^Nf_c или 2^N периодам тактового генератора.

На рисунке 7.2 представлена структурная схема модифицированного интегрирующего ЦАП. В этой схеме простой счётчик заменён на реверсивный. Когда компаратор (устройство сравнения) имеет ВЫСОКИЙ (НИЗКИЙ) уровень входного сигнала V_c , т.е. когда V_x больше (меньше или равно) напряжению обратной связи V_f , счётчик работает в режиме прямого счёта (обратного счёта). Значение выходного сигнала ЦАП V_f может меняться с шагом, равным 1МЗР.

Рисунок 7.2 – Структурная схема следящего АЦП

Следовательно, если значение V_x не будет кратно МЗР, счётчик при получении последовательных тактовых импульсов будет считать то в одном, то в другом направлении. Таким образом, выходной сигнал АЦП будет колебаться между двумя значениями, различающимися на 1 МЗР. Следящий АЦП не требует на входе схемы выборки и хранения. Цифровой выходной сигнал постоянно отслеживает аналоговый сигнал. Таким образом, следящий АЦП обладает хорошим быстродействием в случае плавного изменения входного сигнала.

Пример 7.1

Тактовая частота 8-ми разрядного следящего АЦП равна 1 МГц. Требуется определить максимальное время преобразования аналогового сигнала.

Решение:

Максимальное время преобразования соответствует максимальному изменению входного сигнала. В этом случае счётчик будет полностью заполнен, т. е. его показания будут равны 2^N. Следовательно, равно 2^N f_c = 2⁸ /10⁶ = 256 мкс.

Рисунок 7.3 – Структурная схема АЦП последовательного приближения

На рисунке 7.3 представлен “интеллектуальный” АЦП последовательного (кодоимпульсного) преобразования. В АЦП данного типа аналоговый сигнал V_x сравнивается в компараторе (сравнивающем устройстве) с напряжением V_n, полученным от N- разрядного ЦАП.

Принцип действия АЦП похож на игру: играют игрок А – компаратор, который отвечает однозначными ответами «Да» или «Нет» на вопросы игрока В (представляет остальную часть схемы).

Аналоговый сигнал V_x сначала сравнивается с текущим напряжением υ₁, полученным от ЦАП при первом тактовом импульсе генератора с частотой f_с при подаче на его вход кода 100..0. Если V_x > υ₁, СРЗ (старший значащий разряд) остаётся равным 1, в противном случае СРЗ становится равным 0. Далее на ЦАП подаётся код, в котором (N-1) разряд равен 1,а остальное 0, т.е.*100…0. Полученное напряжение ЦАП υ₂ снова сравнивается с аналоговым сигналом. Если V_x > υ₂, (N-1) разряд остаётся равным 1, в противном случае становится равным 0. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут перебраны все разряды. Полученный цифровой код на входе ЦАП будет соответствовать аналоговому сигналу.

Таким образом, напряжение n-приближения равно
υ_n = десятичное значение кода В_N-1В_N-2…В_N-n…В₁В₀,

где цифровое значение сигнала V_x соответствует

Рисунок 7.4 – Графики, поясняющие принцип измерения напряжения 5В

Пример 7.2

Необходимо измерить аналоговое напряжение 5В при помощи АЦП последовательного приближения.

Решение:

Напряжение 5₍₁₀₎ = 0 · 2³ + 1· 2² + 0 ·2¹ + 1 ·2⁰ ₍₂₎ = 0101_(код).
Работа АЦП поясняется графиками, представленными на рисунке 7.4