Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Т_отс и частота дискретизации f_пр связаны соотношением:

Т_отс = 1/f_пр.

В измерительной технике для преобразования медленноменяющихся процессов частота преобразования может быть установлена небольшой - единицы герц и менее. В устройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления цифрового сигнала в аналоговую форму, например, преобразование речевого сигнала в дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как f_пр = 2F_мах, где F_мах - максимальная частота речевого сигнала.

Для обеспечения преобразования без искажений требуется выполнение условия:

t_пр < Т_отс,

где t_пр - время преобразования АЦП одного отсчета.

Основные параметры АЦП определяются так же, как и параметры ЦАП.

По принципу дискретизации и структуре построения АЦП делятся на две группы: 1-группа АЦП с применением ЦАП и 2-группа АЦП без ЦАП.

К первой группе относятся:

- АЦП последовательного счета (развёртывающего типа);

- АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);

- следящий АЦП.

К второй группе относятся: - АЦП прямого преобразования;

- АЦП двойного интегрирования; - АЦП с применением генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Каждый тип АЦП имеет свои достоинства и недостатки. На практике встречаются все выше перечисленные типы АЦП.

Сравнительные характеристики АЦП.Наибольшим быстродействием обладают АЦП прямого преобразования. Время преобразования t_пр достигает 10¸20 нсек. Они отличаются высокой стоимостью и большой потребляемой мощностью. Схема содержит 2ⁿ компараторов, делитель опорного напряжения и преобразователь позиционного кода в параллельный двоичный код. Промышленностью выпускаются 4-, 6-, 8-разрядные АЦП прямого преобразования. Время преобразования этих АЦП определяется исключительно только временем распространения сигнала в компараторах t_здкр и преобразователе кодов t_здпр, т.е. t_пр = t_здкр + t_здпр.

Рис. 5.27. Функциональная схема АЦП прямого преобразования: СР1…СР_N – сравнивающие устройства (компараторы); R1 … RN – резисторы делителя напряжения; N – число ступеней квантования (N=2ⁿ)

По своему быстродействию на втором месте находятся АЦП последовательного приближения (рис. 5.28). Время преобразования n- разрядного АЦП определяется как t_пр = nТ + 3Т, здесь Т-период следования тактовых импульсов, соответствующий времени выборки одного кванта. Дополнительные 3 такта используются для старта (запуска) и формирования сигналов признака завершения процесса преобразования (сигнала “конец преобразования”).

Рис. 5.28. Функциональная схема АЦП последовательного приближения: СР – компаратор напряжения; ЛСУ – логическая схема управления; РПП – регистр последовательного приближения; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

Принцип работы АЦП последовательного приближения иллюстрируется на рис. 5.29. После запуска на выходе АЦП устанавливается число, соответствующее половине напряжения полной шкалы U_пш / 2. Это напряжение сравнивается с входным напряжением U_вх и в зависимости от результата сравнения компаратор вырабатывает два сигнала: U₁, когда U_{вых ЦАП} > U_вх , и U₂ при U_{вых ЦАП} < U_вх . Если U_{вых ЦАП} меньше, чем U_вх ЛСУ вырабатывает команду, по которой к содержимому РПП прибавляется число, соответствующее половине напряжения, установленного в предыдущем такте. Если же U_{вых ЦАП} > U_вх , то из содержимого РПП это число вычитается (см. рис. 5.29). Это происходит до тех пор, пока напряжение приращения не станет равным DU_кв , т.е. U_n = DU_кв =U_пш/2ⁿ.

Рис. 5.29. Диаграмма выходного напряжения ЦАП, соответствующая десятичному эквиваленту двоичного кода АЦП

Наибольшим временем преобразования (среди АЦП с использованием ЦАП) обладаетАЦП последовательного счетаt_пр = 2ⁿ×Т. Они проще в изготовлении и имеют наименьшую стоимость. Погрешность преобразования таких АЦП определяется, в основном, погрешностью ЦАП и может быть доведена до значений прецизионных преобразователей. АЦП последовательного счета переводит аналоговый сигнал в цифровую форму путем последовательного счета числа уровней квантования, начиная с младшего значащего разряда до старшего, на каждом отсчете. Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 5.30, а.

С генератора тактовых импульсов через электронный ключ ЭК, который открывается в момент выборки входного аналогового сигнала схемой запуска (СЗ), последовательность импульсов поступает на n-разрядный двоичный счетчик (СЧ). Выход счетчика является выходом АЦП и одновременно управляет схемой ЦАП, вырабатывающей ступенчато нарастающее напряжение (см. рис. 5.30, б). В момент, когда выходное напряжение ЦАП станет равным входному, компаратор (СР) вырабатывает сигнал, опрокидывающий триггер (ТГ). При этом сигнал с выхода триггера закроет электронный ключ и остановит счетчик. Содержание счетчика N_сч после его остановки будет соответствовать числу, определяемому входным аналоговым сигналом N_сч = U_вх / DU_кв.

Рис. 5.30. АЦП последовательного сче6та (а) и его временная диаграмма (б)

С генератора тактовых импульсов через электронный ключ ЭК, который открывается в момент выборки входного аналогового сигнала схемой запуска (СЗ), последовательность импульсов поступает на n-разрядный двоичный счетчик (СЧ). Выход счетчика является выходом АЦП и одновременно управляет схемой ЦАП, вырабатывающей ступенчато нарастающее напряжение (см. рис. 5.30, б). В момент, когда выходное напряжение ЦАП станет равным входному, компаратор (СР) вырабатывает сигнал, опрокидывающий триггер (ТГ). При этом сигнал с выхода триггера закроет электронный ключ и остановит счетчик. Содержание счетчика N_сч после его остановки будет соответствовать числу, определяемому входным аналоговым сигналом

N_сч = U_вх / DU_кв.

Наибольшее число в счетчике соответствует входному напряжению, равному U_пш. При этом N_сч = 2ⁿ.

АЦП двойного интегрирования (интегрирующий АЦП). Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи. На рис. 5.31 приведена функциональная схема АЦП двойного интегрирования. Работа его заключается в следующем. Счетчик запускается от генератора тактовых импульсов в момент поступления на интегратор входного сигнала U_вх, из которого за время интеграции делается выборка. За время выборки напряжение на выходе интегратора U_{вых и} увеличивается. В момент t_и прямая интеграция заканчивается, входной сигнал от интегратора отключается и к его суммирующей точке подключается эталонный резистор. От времени t_и до моментов t₁...t₃ продолжается разряд конденсатора интегратора (обратная, вторая интеграция) с постоянной скоростью. Интервалы времени от t_и до нулевых отметок (t₁...t₃) пропорциональны уровню входного сигнала. Существенным преимуществом преобразователя является простота компенсации наводок сети промышленного питания.

Рис. 5.31. Функциональная схема АЦП двойного интегрирования (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б): ЭК – электронный ключ; ПС – пороговая схема; ДЧ – делитель частоты; Г – генератор; СЛУ – счетно-логическое устройство; ИНТ – интегратор; КНУ компаратор нулевого уровня

АЦП двойного интегрирования относится к наиболее медленно работающим преобразователям. Однако высокая технологичность, низкий уровень шумов и низкая стоимость делают их незаменимыми для применения в щитовых приборах, мультиметрах, цифровых термометрах и т.п. Этому способствует также то, что результаты преобразования в интегрирующих АЦП часто представляются в десятичном коде или же в удобном виде для представления цифр десятичной системы счисления.

АЦП с применением ГУН, получившие название преобразователей напряжение–частота, обладают средним временем преобразования, и используются преимущественно в измерительных системах, например, в системах измерения скорости и торможения автомобилей, измерения ухода частоты несущей в системах связи, высокоточных накопителях информации, помехоустойчивых системах передачи данных, фильтрах и др.