Действия

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с принципом работы и испытание интегрального 8-раз­рядного аналого-цифрового преобразователя.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЁТНЫЕ ФОРМУЛЫ

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО

ДЕЙСТВИЯ

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, предназначенное для преобразования аналоговых величин в их цифровой эквивалент в различных системах исчисления. Входным сигналом АЦП в течение некоторого промежутка времени Dt является постоянное напряжение, равное отсчёту u_вх (kDt) входной аналоговой функции u_вх. За это время на выходе АЦП формируется цифровой (обычно двоичный) код

,

соответствующий дискретному отсчёту напряжения u_вх (kDt). Количественная связь для любого момента времени оп­ределяется соотношением

,

где Du - шаг квантования входного аналогового напряжения u_вх; d_i – погрешность преобразования напряжения u_вх (kDt) на данном шаге.

Физический процесс аналого-цифрового преобразования состоит из дискретизации по времени аналогового сигнала, квантования по уровню и кодирования [8]. Процесс дискретизации аналогового сигнала длительностью t_вх выполняется в соответствии с теоремой Котельникова, определяющей необходимый шаг дискретизации Dt £ 1/(2 f_m), где f_m – максимальная частота спектра входного сигнала, и число шагов М = t_вх / Dt.

Процесс квантования по уровню дискретизированной функции u_вх (kDt) заключается в отображении бесконечного множества её значений на некоторое множество конечных значений u_д (k), равноечислу уровней квантования N = u_вх.max / Du. Процесс квантования по уровню (округление каждого значения u_вх (kDt) до ближайшего уровня u_д (k)) приводит к возникновению ошибки (шума) квантования, максимальное значение которой ±1/2 Du определяется разрядностью используемого выходного кода. При увеличении разрядности выходного кода ошибка квантования может быть уменьшена до сколь угодно малой величины, но не может быть сведена к нулю выбором параметров устройства, так как она присуща данному алгоритму.

Процесс кодирования заключается в замене найденных квантованных N + 1 значений входного сигнала u_д (k) некоторыми цифровыми кодами.

На рис. 36.1, а приведена характеристика идеального АЦП в нормированных единицах входного напряжения u_вх.н = u_вх / u_вх.max. Кроме ошибки квантования, при оценке точности АЦП учитывают дополнительные погрешности: инструментальную (погрешность смещения нуля, вызывающей смещение пунктирной прямой L влево или вправо от начала координат, см. рис. 36.1, а) и апертурную, возникающую из-за несоответствия значения входного сигнала u_д (k) преобразованному цифровому коду А_i. Несоответствие возникает, если входной сигнал в течение интервала дискретизации Dt изменяется более чем на значение шага квантования Du.

К основным параметрам АЦП относят:

- число разрядов выходного кода п = 8, …, 16, отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП. При использовании двоичного кода п = log₂(N + 1), где N + 1 - максимальное число кодовых комбинаций (уровней квантования) на выходе АЦП;

- диапазон изменения входного напряжения u_вх.max. Отметим, что АЦП может обрабатывать входную информацию в виде однополярного ана­логового напряжения с пределами 0… u_{вх . max} и двуполярного ± u_{вх . max} /2;

- абсолютная разрешающая способность ЗМР = Du (значение младшего разряда) – среднее значение минимального изменения входного сигнала u_вх, обуславливающего увеличение или уменьшение выходного кода на единицу. Значение ЗМР определяется раз­рядностью выходного кода и диапазоном входного напряжения;

- абсолютная погрешность d_i преобразования в конечной точке шкалы есть отклонение реального максимального значения входного сигнала u_вх.max от максимального значения идеальной характеристики L АЦП (см. рис. 36.1, а). Обычно d_I измеряется в ЗМР;

- максимальная частота преобразования (десятки и сотни килогерц);

- время преобразования входного сигнала: t_np.max £ (1/2) Dt.

Состав АЦП в отличие от ЦАП может изменяться в значительной степени в зависимости от выбранного метода преобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили три основных метода: последовательного счёта, поразрядного кодирования и считывания.

Метод последовательного счёта основан на уравновешивании входной величины суммой одинаковых по величине эталонов (суммой шагов квантования). Момент уравновешивания определяется с помощью одного компаратора, а количество эталонов, уравновешивающих входную величину, подсчитывается с помощью счётчика.

Метод поразрядного кодирования (уравновешивания) предусматривает наличие нескольких эталонов (часто реализованных в виде уравновешивающего сдвигающего регистра), обычно пропорциональных по величине степеням числа 2, и сравнение этих эталонов с аналоговой величиной. Сравнение начинается с эталона старшего разряда. В зависимости от результата этого сравнения формируется значение старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде ставится 0 и далее производится уравновешивание входной величины следующим по значению эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшем производится уравновешивание разности между входной величиной и первым эталоном.

Наибольшим быстродействиемобладают преобразователи, построенные по методу считывания. Метод считывания подразумевает наличие 2 ^п - 1 эталонов при п -раз­ря­д­ном двоичном коде. Входная аналоговая величина одновременно сравнивается со всеми эталонами. В результате преобразования получается параллельный код в виде логических сигналов на выходах 2 ^п - 1 компараторов.

ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЁТА

В качестве примера рассмотрим структурную схему АЦП последовательного счёта с ЦАП в цепи обратной связи (рис. 36.1, б) и вариант её реализации (рис. 36.2). По сигналу " Пуск" на вход обнуленного счётчика СТначинают подаваться импульсы генератора тактовой частотыГТИ (см. рис. 36.1, б). По мере поступления этих импульсов растёт входной код ЦАП и ступенчато повышается напряжение u_цап на его выходе, причем уровень ступени соответствует шагу квантования Du входного напряжения u_вх АЦП.

Процесс преобразования заканчивается, когда напряжение u_цап станет чуть больше входного напряжения u_вх АЦП, поданного на вход ОУ, на котором собран компаратор. При этом работа счётчика прекращается, а на его выходе устанавливается код А_i, являющийся цифровым эквивалентом напряжения u_вх.

Согласно рассмотренной структурной схеме АЦП на рис. 36.2 приведен вариант реализации модели 4-разрядного АЦП последовательного счёта с ЦАП, состоящего из операционного усилителя OPAMP1 и резистивной матрицы R1, …, R4 со взвешенными сопротивлениями. Переключатели Key1, …, Key4 в схеме (при разомкнутом ключе Space) служат для проверки работы счётчика СТ, а осциллограф XSC1 - для снятия осциллограмм напряжения с выхода ЦАП и входа компаратора.

При запуске моделирования АЦП сформированные генератором Е1 им­пульсы подаются на вход счётчика СТ, число которых последовательно высвечивается на 7-сегментном индикаторе. Выходные поразрядные сигналы со счётчика поступают также на входы логического анализатора XLF1 и входы резистивной матрицы R1, …, R4, а суммарное напряжение с матрицы - на вход ОУ. Ступенчатое напряжение u_ЦАП с выхода OPAMP1 (рис. 36.3) подаётся на вход компаратора, собранного на операционном усилителе OPAMP2. На этот же вход подано постоянное напряжение u_вх с генератора Е7 через делитель R6-R7. В момент, когда указанные напряжения сравниваются, компаратор срабатывает, на элемент И(AND ) подаётся логический 0 и прекращается работа счётчика, а на индикаторе высвечивается цифровой
код (число шагов квантования), соответствующий уровню u_д (k).

Анализ временных диаграмм сигналов с выхода счётчика и осциллограмм напряжений с входов компаратора (см. рис. 36.3) показывает, что счётчик прервал счёт с приходом двенадцатого тактового импульса, поэтому на 7-сегмен­т­ном индикаторе высветилось число С₁₆ (12₂) (см. рис. 36.2).

Погрешность преобразования зависит от шага квантования (высоты ступени напряжения u_цап), погрешности в формировании ступенчатого напряжения u_цап и ошибки компаратора в определении равенства u_вх и u_цап. Время преобразования непостоянно и зависит от уровня напряжения u_вх. При заданном числе разрядов АЦП время преобразования определяется числом периодов счетных импульсов.

По структуре построения ИМС АЦП подразделяют на АЦП с применени­ем ЦАП и без них. К БИСАЦП без ЦАП, например ИМС КР572ПВ2, К107ПВ2 и др., относят АЦП последовательного счёта с двойным интегрированием (на первом такте - входного напряжения, на втором – эталонного напряжения с преобразованием результатов интегрирования во временной интервал и в эквивалентный цифровой код) для сглаживания импульсных помех, повышения точности и помехозащищённости данного типа АЦП [12].

Основные направления развития АЦП – повышение быстродействия ос­новных узлов, в частности, компараторов до 5…10 нс, повышение их точности до 0, 05…0, 005%, увеличение разрядности преобразователей до 24, использование микропроцессоров в преобразователях.