Классификация АЦП. Сравнительные характеристики.

АЦП – это мксх-ма, реализ-я преобр-е вх-го анал-о сигн-а в цифр-й код, методом дискр-ии во врем-и, квант-я по ур-ю и кодир-я.

Классификация АЦП:

1. Паралл-ые (совпадения):

- считывания;

- послед-ого счета;

2. Последовательные (уравновешивание):

- развертывающее;

- следящее;

- поразрядное;

3. Параллельно-последовательные.

Рассмотрим данные виды АЦП более подробно:

Паралл-е АЦП – в осн-е метод совпад-й.

1. Входное напряжение Ux подается на вход компаратора;

2. Набор эталонных напряжений Uo, 2Uo, …, NUo поступают на другие входы комп-ра;

3. Происходит срабатывание каналов при условии Ux > jUo;

4. На вых-х сраб-х канн-в устан-я выс-е ур-и напр-я (логическая 1);

5. Набор напр-й «0» и «1» ур-й пост-т на вход шифратора;

6. Шиф-р преоб-т пост-й код в двоич-й или др-й, уд-й для преобразования.

Особенности:

1. Выс-е быстр-е, т.к. реал-и мал-о ч-ла оп-й.

5. Быстр-е опр-я скоростью компаратора.

6. Время преобр-я опр-я инт-и срабатывания комп-а и шиф-а.

7. Выс-я разр-ть комп-а влечет сущ-е пот-е эн-и.

8. Выс-я разр-ть комп-а знач-о усл-т конст-ю.

Последовательные АЦП – самый распр-й вид АЦП, исп-й проц-ы послед-о форм-я набора этал-х ур-й напр-я и их срав-е с

вх-м анал-м сиг-м.

Особенности последовательного АЦП:

1.Присутствует контур отрицательной обратной связи, для фиксации равенства входного и эталонного напряжений;

2.Имеется регистрация полученного кода;

3.Округление происходит до верхнего уровня.

В схеме:

1.Ux – входной аналоговый сигнал;

2.Uк – компенсирующее напряжение;

3.Uсу – напряжение на выходе компаратора;

4.Nх – выходной цифровой код;

5.Процесс преобразования заканчивается, когда Uk > Ux;

Параллельно-последовательные (комбинированные) АЦП – предст-т

собой комп-с послед-х и парал-х АЦП.

Особенности параллельно-последовательных АЦП:

1.преобразование реализуется за 2 такта;

2.все разряды делятся на ;

3.первый такт: определяется код старших разрядов ;

4.второй такт: определяется код младших разрядов ;

5.Преобразование:

6.при допущении ошибки в первом такте, возможна коррекция кода на втором такте.

Сравнительные характеристики АЦП. Наибольшим быстродействием обладают АЦП прямого преобразования. Время преобразования tпр 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 tздкр и преобразователе кодов tздпр, т.е. tпр = tздкр + tздпр.

По своему быстродействию на втором месте находятся АЦП последовательного приближения (рис. 5.11). Время преобразования n- разрядного АЦП определяется как tпр = 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 Uпш / 2. Это напряжение сравнивается с входным напряжением Uвх и, в зависимости от результата сравнения, компаратор вырабатывает два сигнала: U1 , когда Uвых ЦАП > Uвх и U2 при Uвых ЦАП < Uвх . Если Uвых ЦАП меньше, чем Uвх ЛСУ вырабатывает команду, при которой к содержимому регистра последовательного приближения РПП прибавляется число, соответствующее половине напряжения, установленного в предыдущем такте. Если же Uвых ЦАП > Uвх , то из содержимого РПП это число вычитается (см. рис. 5.12). Это происходит до тех пор, пока напряжение приращения не станет равным DUкв , т.е. Un = DUкв =Uпш/2n..

Наибольшим времением преобразования (среди АЦП с использованием ЦАП) обладает АЦП последовательного счета tпр = 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 Nсч после его остановки будет соответствовать числу, определяемому входным аналоговым сигналом

Nсч = Uвх/ DUкв.

Наибольшее число в счетчике соответствует входному напряжению, равному Uпш. При этом Nсч = 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 Uвх , из которого за время интегрирования делается выборка. За время выборки напряжение на выходе интегратора Uвых и увеличивается. В момент tи прямое интегрирование заканчивается, входной сигнал от интегратора отключается и к его суммирующей точке подключается эталонный резистор. От времени tи до моментов t1 . . . t3 продолжается разряд конденсатора интегратора с постоянной скоростью. Интервалы времени от tи 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.

Последовательно-параллельные АЦП[5] сохраняя высокое быстродействие позволяет значительно уменьшить количество компараторов, требуещееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Содержат в своем составе два — три параллельных АЦП. Второй АЦП служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в последовательно-параллельных АЦП применяется конвейерная работа параллельных АЦП.