Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 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 медленно меняющихся 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 также как и параметры ЦАП (см. п. 5.1) .

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.

Области применения ЦАП и АЦП. С помощью АЦП и ЦАП можно организовать обмен информацией с ЭВМ в масштабе времени сигналов звукового вещания. Структурная схема терминала приведена на рис. 5.9, а. С выхода магнитофона М1 аналоговый сигнал поступает на вход АЦП, где преобразуется в цифровой код, который подается на вход устройства сопряжения УС1. В устройстве сопряжения преобразованные АЦП сигналы синхронизируются и согласовываются с сигналами блока управления БУ1, который дает команду о прохождении информации в память ЭВМ. Вывод обработанного цифровыми методами сигнала звукового вещания из ЭВМ на второй магнитофон М2 осуществляется с помощью ЦАП. Информация считывается из памяти ЭВМ и поступает на вход блока стандартного сопряжения (БСС). После реализации команд управления информация поступает на устройство вывода УС2 и через БУ2 на вход ЦАП.

АЦП и ЦАП широко применяются и в речевых терминалах (рис. 5.9 ,б). В таких терминалах АЦП используется для организации ввода информации для распознавания слуховых “образов”. Структурная схема речевого терминала содержит: ЦАП - для синтеза речи; фильтр нижних частот -ФНЧ; полосовой фильтр - ПФ; блок анализа и кодирования - БАК, где обработка сигнала выполняется методами дифференциальной импульсно-кодовой модуляции и выделения параметров линейного предсказания; блок синтеза и восстановления речевого сигнала - БСВ, осуществляющий операцию декодирования речевого сигнала в соответствии с заданной программой; блок распознавания образа (БРО), построенный на матричной БИС и выполняющий параллельную обработку вектора параметров речевого сигнала.

Очевидно, что в объеме данного учебного пособия рассмотреть все системы, использующие АЦП невозможно, поэтому основные направления и области применения АЦП кратко перечислены в табл. 5.2. В описании таблицы использованы следующие сокращения: ПС - АЦП последовательного счета; ПП - последовательного приближения; ПрП - прямого преобразования; И - двойного интегрирования; ПНЧ - с применением ГУН и , собственно, преобразователь напряжение - частота.

Сравнительные характеристики АЦП.Наибольшим быстродействием обладают АЦП прямого преобразования. Время преобразования t_пр достигает 10 -20 нсек. Они используются для преобразования сигналов сверхбыстро протекающих процессов и сигналов телевизионного изображения (цифровое телевидение). Они отличаются высокой стоимостью и большой потребляемой мощностью. Функциональная схема АЦП прямого преобразования приведена на рис. 5.10. Она 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.

По своему быстродействию на втором месте находятся АЦП последовательного приближения (рис. 5.11). Время преобразования n- разрядного АЦП определяется как t_пр = nТ + 3Т, где 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”).

Принцип работы АЦП последовательного приближения иллюстрируется на рис. 5.12. После запуска, на выходе АЦП устатанавливается 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, при которой к содержимому регистра последовательного приближения 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. 5.12). Это происходит до тех пор, пока напряжение приращения не станет равным DU_кв , т.е. U_n = DU_кв =U_пш/2^n..

Наибольшим времением 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 цифровой последовательно, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 5.13, 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. 5.13, 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. 5.14 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 интегрирования делается выборка. За время выборки напряжение на выходе интегратора U_{вых и} увеличивается. В момент t_и прямое интегрирование 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 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.

АЦП двойного интегрирования относится к наиболее медленно работающим преобразователям. Однако, высокая точность, 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, получивших 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.

В табл. 5.3 приведены основные параметры наиболее популярных АЦП.