Аналого-цифровые преобразователи

Если переменные информационные величины представлены в аналоговой форме в виде изменяющегося напряжения постоянного тока, их непосредственная обработка цифровыми устройствами невозможна без предварительного представления в виде n-разрядного кода. Эту операцию осуществляют аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Существует ряд способов такого преобразования, обладающих своими преимуществами и недостатками; рассмотрим их.

В способе последовательного приближения схема формирует пробные коды, поступающие на ЦАП, выходной сигнал которого сравнивается с помощью компаратора с входным аналоговым сигналом (рис. 2.24).

Выходной двоичный код формируется в регистре, управляемом устройством управления (УУ). Регистр связан с ЦАП, который формирует напряжение, пропорциональное коду, подаваемое на один из входов компаратора. На другой вход компаратора подается напряжение U_вх, подлежащее преобразованию в код. В исходном состоянии устройство управления устанавливает все разряды регистра в «0». Затем в старший разряд заносится «1». Если при этом U_вх > U_ЦАП, то устройство управления оставляет «1» в старшем n-м разряде, если же U_вх< U_ЦАП, то в старший разряд заносится «0». Затем устройство управления заносит «1» в следующий (n—1)-й разряд и вновь в зависимости от результата сравнения устройство управления либо оставляет «1» в этом разряде, либо записывает «0». Таким образом, устройство управления заносит во все разряды регистра «1» или «0», начиная от самого старшего и кончая самым младшим. Работа АЦП синхронизируется генератором тактовых импульсов (ГТИ). После n тактов сравнения U_вх с U_ЦАП на выходе АЦП получается n-разрядный двоичный код, эквивалентный входному аналоговому сигналу. Такие преобразователи имеют относительно высокую точность, однако для n-разрядного преобразования требуют n тактов. При этом, если за время преобразования входной сигнал изменяется, возникает ошибка, особенно заметная при коротких выбросах входного сигнала.

Рис. 2.25. АЦП, использующий способ пилообразного напряжения

В АЦП, использующего способ пилообразного напряжения, нет цифроаналогового преобразования (рис. 2.25). Принцип его работы основан на измерении интервала времени, в течение которого линейно нарастающее напряжение достигнет уровня U_вх. По команде «Начало преобразования» одновременно запускается генератор пилообразного напряжения и взводится триггер, разрешающий прохождение тактовых импульсов на вход счетчика. Линейно нарастающее напряжение U_п, формируемое ГПН, поступает на один из входов компаратора, на другой вход которого подается напряжение U_вх, подлежащее преобразованию в код. В момент, когда напряжение U_п сравняется с U_вх, компаратор выдаст команду, сбрасывающую триггер и запрещающую прохождение тактовых импульсов на вход счетчика. Таким образом, код на выходе счетчика будет прямо пропорционален отрезку времени, в течение которого напряжение U_п достигнет уровня U_вх, т.е. самой величине U_вх.

Как следует из принципа работы данного АЦП, он имеет невысокое быстродействие. Точность преобразования определяется стабильностью ГПН, которая в основном зависит от температурной нестабильности параметров времязадающей RC-цепи.

Самым быстродействующим и в то же время самым сложным является АЦП, использующий способ параллельного кодирования (рис. 2.26). Входное напряжение U_вх подается одновременно на верхние входы всех компараторов. На нижние входы компараторов подается напряжение с делителя, состоящего из резисторов одного номинала R. Таким образом, напряжение, с которым осуществляется сравнение входного сигнала у двух соседних компараторов, отличается на величину, соответствующую цене самого младшего разряда. Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой код, соответствующий самому старшему из сработавших компараторов. По единичному сигналу «Запись» n-разрядный код с шифратора через конъюнкторы поступает в параллельный регистр.

Высокое быстродействие АЦП, реализующего этот способ, достигается за счет значительных аппаратурных затрат и большой потребляемой мощности. Например, для восьмиразрядного АЦП требуется 255 компараторов и около 3 · 10⁴ активных элементов, потребляющих примерно 2,5 Вт.