Аналого-цифровой преобразователь

АЦП являются устройствами, принимающими входные непрерывные сигналы от аналоговых устройств и выдающими на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.

АЦП, так же как и ЦАП, широко применяются в различных областях, являясь неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем и устройств обработки и отображения информации, автоматических систем контроля и управления, устройств ввода–вывода информации ЭВМ и т. д.

Все АЦП можно разделить на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

К последовательным АЦП относятся:

а) последовательные с единичным приближением, основанные на уравновешивании входного аналогового значения суммой минимальных (для данного преобразователя) по весу эталонов (квантов);

б) с двоично-взвешенным приближением, в которых уравновешивание входного аналогового значения осуществляется суммой n эталонов (n — число разрядов АЦП), взвешенных по двоичному закону;

в) с промежуточным преобразованием входного аналогового значения в интервал времени или частоту, с последующим преобразованием в цифровой код;

г) без промежуточного преобразования, к которым можно отнести преобразователи напряжение — частота, т. е. частота повторения выходных импульсов таких АЦП пропорциональна входному аналоговому значению;

д) интегрирующие АЦП, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного аналогового сигнала за фиксированный интервал времени.

Параллельные АЦП основаны на использовании (2n - 1) эталонов с весами, отличающимися на один квант. Сравнение входного аналогового значения с каждым эталоном производится одновременно с помощью 2n-1 схем сравнения (компараторов).

Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на:

а) многоступенчатые, в которых применяют несколько параллельных АЦП, работающих последовательно во времени;

б) многотактные, в которых один и тот же параллельный АЦП работает последовательно несколько раз с соответствующим управлением пороговыми напряжениями.

Базовая структурная схема АЦП приведена на рисунке. На его входе действует одно изменяющееся напряжение. Это напряжение в данном случае изменяется от 0 до 3 В. С выхода АЦП снимаются двоичные сигналы.

Структурная схема АЦП

АЦП преобразует аналоговый сигнал напряжения на входе в 4-разрядное двоичное слово. Таблица истинности (табл. 1) показывает, как должен работать АЦП. Строка 1 соответствует нулевому напряжению (0В) на входе. При этом выходы также находятся в нулевом состоянии (0000). Строка 2 соответствует 0,2 В на входе. На выходе в этом случае двоичное число 0001. В каждой новой строке увеличение входного напряжения на 0,2 В приводит к увеличению двоичного числа на выходе на 1. В строке 16 ко входу приложено максимальное напряжение, равное 3 В, на выходе мы имеем двоичное число 1111.

Структурная схема АЦП представлена на рис. 1. Этот АЦП содержит компаратор напряжений, логический элемент И, двоично-десятичный счетчик и ЦАП.

Табл.1. Таблица истинности АЦП.

Рис.1. Структурная схема АЦП.

Ко входу АЦП (см рис. 1) приложено аналоговое напряжение. Компаратор «проверяет» величину напряжения, поступающего от ЦАП. Если аналоговое входное напряжение на входе А компаратора больше напряжения на входе В, разрешается прохождение тактовых (счетных) импульсов на вход двоично-десятичного счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате увеличивается цифровой сигнал (двоичное число) на его выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение с выхода ЦАП не превысит аналоговое входное напряжение. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Предположим, что входное аналоговое напряжение равно 2 В. В соответствии с табл. 1 счетчик считает до 1010, затем остановится, сбросится в нулевое состояние (0000), и счет начнется снова.

Рассмотрим более подробно работу АЦП (рис. 1). Предположим, что на выходе компаратора в точке X действует уровень логической 1. Считаем, что двоично-десятичный счетчик находится в состоянии 0000. К аналоговому входу АЦП приложено напряжение, равное 0,55 В. Логическая 1 в точке X «открывает» логический элемент И, и первый импульс от тактового генератора появляется на синхронизирующем входе двоично-десятичного счетчика. Счетчик переходит в состояние 0001. Двоичная комбинация 0001 появляется на индикаторе (в правом верхнем углу рис. 1). Эта же двоичная комбинация подается на входы ЦАП.

Согласно табл. 1, двоичному числу 0001 на выходах ЦАП соответствует сигнал 0,2 В на выходе. Это напряжение подается на вход В компаратора. Компаратор сравнивает сигналы, поступившие на его входы (0,55В и 0,2В). Напряжение на входе А больше, поэтому компаратор вырабатывает на выходе сигнал логической 1. Эта логическая 1 «удерживает» логический элемент И в открытом состоянии, и он пропускает следующий тактовый импульс к счетчику. Содержимое счетчика увеличивается на 1. На его выходах теперь появляется двоичная комбинация 0010. Эта двоичная комбинация подается на входы ЦАП.

В табл. 1 двоичному числу 0010 на входах ЦАП соответствует сигнал 0,4 В на выходе. Это напряжение подается на вход В компаратора. Компаратор снова сравнивает напряжение на входе В с напряжением на входе А; напряжение 0,55В на входе А больше, поэтому на выходе компаратора опять вырабатывается сигнал логической 1. Логический элемент И открыт и позволяет следующему тактовому импульсу достичь счетчика. Содержимое счетчика увеличивается до 0011. Эта двоичная комбинация подается на входы ЦАП.

Далее в соответствии с табл. 1 двоичному числу 0011 на входах ЦАП сопоставляется сигнал 0,6 В на выходе. Этот сигнал подается на вход В компаратора. Компаратор снова сравнивает напряжение на входе В с напряжением на входе А, напряжение на входе В оказывается больше, и компаратор вырабатывает на выходе сигнал логического 0. Этот логический 0 «закрывает» логический элемент И. Теперь тактовые импульсы не достигают счетчика. Счетчик останавливается на двоичном числе 0011. Аналоговому входному сигналу, равному 0,55 В, со- ответствует двоичное число 0011. Из строки 4 табл. 1 видно, что 0,6 В на входе соответствуют двоичному числу 0011 на выходе.

Мы рассмотрели работу АЦП (рис.1) с динамической компенсацией. Используются и другие типы АЦП.

Структурная схема интегрирующего АЦП показана на рис. 2. Работа этого АЦП напоминает работу АЦП с динамической компенсацией. Новым узлом в интегрирующем АЦП является генератор линейно изменяющегося напряжения, показанный слева на рис. 2. Этот генератор вырабатывает пилообразное напряжение (см. рис. 3а). Предположим, что к аналоговому входу АЦП (рис.2.) приложено напряжение, равное 3 В. Это иллюстрируется на рис. 3а. Линейно изменяющееся напряжение начинает возрастать, но в течение некоторого промежутка времени остается меньше, чем напряжение на входе А компаратора. В этот промежуток времени на выходе компаратора действует уровень логической 1, благодаря чему логический элемент И удерживается в «открытом» состоянии, и через него могут свободно проходить тактовые импульсы. На рис. 3а показаны три тактовых импульса, которые прошли через логический элемент И, прежде чем линейно изменяющееся напряжение превысило напряжение на аналоговом входе. В точке Y (см. рис. 3а) на выходе компаратора устанавливается логический 0. Логический элемент И «запирается». Счет останавливается на двоичном числе 0011. Это двоичное число означает, что напряжение на входе равно 3 В.

Рис.2. Интегрирующий АЦП.

Рис.3 Форма сигнала интегрирующего АЦП

Еще один пример иллюстрирует рис. 3б. В этом случае к аналоговому входу интегрирующего АЦП приложено напряжение 6 В. Линейно изменяющееся напряжение начинает возрастать. До тех пор, пока оно меньше напряжения на входе Aкомпаратора, на его выходе В действует уровень логической 1. Счетчик подсчитывает тактовые импульсы. В точке Z на графике «пилы» напряжение генератора становится больше U_вх. В этой точке выход компаратора переключается к уровню логического 0. Этот логический 0 «запирает» логический элемент И. Тактовые импульсы не достигают счетчика. Счет прекращается на двоичном числе 0110. Двоичное число 0110-цифровой эквивалент аналогового входного сигнала (6 В).

Недостаток интегрирующего АЦП - слишком большое время, затрачиваемое на счет при преобразовании больших напряжений. Чтобы ускорить процесс преобразования, используют АЦП другого типа.

Структурная схема АЦП последовательного приближенияпоказана на рис. 4. В состав этого преобразователя входят компаратор напряжений, ЦАП и еще один логический блок - регистр последовательного приближения.

Предположим, что мы подали 7 В на аналоговый вход. АЦП последовательного приближения сначала «формирует запрос» относительно возможной величины аналогового входного напряжения. Этот запрос реализуется путем засылки 1 в самый старший разряд (ССР) двоичного числа на выходе АЦП, что осуществляется с помощью регистра последовательного приближения (блок 1 на рис. 4). Результат операции (1000) поступает через ЦАП на вход В компаратора. Компаратор «отвечает» на вопрос, сформулированный в блоке 2 на рис. 4: «двоичное число 1000 больше или меньше цифрового эквивалента входного напряжения?» Ответ в данном случае: «больше». Тогда регистр последовательного приближения выполняет операции, указанные в блоке 3. Разряд восьмерок сбрасывается в 0, разряд четверок устанавливается в состояние 1. Результат (0100) через ЦАП пересылается на вход компаратора. Компаратор далее отвечает на вопрос, сформулированный в блоке 4: «двоичное число 0100 больше или меньше цифрового эквивалента входного напряжения?» Ответ: «меньше». Тогда регистр последовательного приближения выполняет операцию, указанную в блоке 5. В разряде двоек устанавливается 1. Результат (0110) пересылается назад к компаратору. Компаратор «отвечает» на вопрос, сформулированный в блоке 6: «двоичное число 0110 больше или меньше цифрового эквивалента входного напряжения?» Ответ: «меньше». Регистр последовательного приближения выполняет операцию, указанную в блоке 7. В самый младший разряд (СМР) засылается 1. Конечный результат: двоичное число 0111. Это и есть цифровой эквивалент входного напряжения, равного 7 В, которое действует на входе АЦП.

Обратите внимание, что операции, указанные в прямо­угольниках на рис. 5, выполняются регистром последова­тельного приближения. На поставленные вопросы «отвечает» компаратор. Характер операций, выполняемых регистром последовательного приближения, зависит от того, какой ответ получен на предыдущий вопрос: «меньше» или «больше» (см. блоки 3 и 5).

Преимущество АЦП последовательного приближения заключается в том, что для получения конечного результата нужно сделать относительно небольшое число опросов. В результате существенно убыстряется процесс аналого-цифрового преобразования. АЦП последовательного приближения находят очень широкое применение.

Рис.4. АЦП последовательного приближения

Рис.5. Блок – схема алгоритма работы АЦП последовательного приближения.