Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно-изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов. В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д.

Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций (рис.13.5):

- выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во времени,

- квантование (округление преобразуемой величины до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени значения аналоговой величины по уровню,

- кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.

Рис. 13.5. Принцип аналого-цифрового преобразования.

Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене бесконечного множества её значений на некоторое конечное множество значений U*n(t), называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь диапазон изменения функции D = U(t)max-U(t)min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования U*n(t). Величина h = D/N носит название шага квантования. В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция U(t) заменяется дискретной функцией U*n(t).

В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением:

где U(t) _i - значение функции U(t) в i -м шаге,

h — шаг квантования,

δk i — погрешность преобразования на i-м шаге.

Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности ε_i, значение которой определяется неравенством:

Погрешность зависит от разрядности.

Основные параметры АЦП делятся на статистические и динамические.

К статистическим относятся:

- вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое перемещение и т.д.,

- диапазон изменения входных величин,

- разрядность,

- абсолютная разрешающая способность,

- абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δ_шк,

- нелинейность преобразования δL.

К динамическим параметрам относится максимальная частота преобразования f_пр.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся на АЦП параллельного преобразования, АЦП поразрядного взвешивания, следящие АЦП, интегрирующие АЦП и др.

АЦП параллельного преобразования реализуют метод непосредственного считывания и являются самыми быстродействующими. В качестве примера рассмотрим принцип работы микросхемы К1107ПВ1. Микросхема имеет 6 разрядов и обеспечивает быстродействие до 20 МГц (рис.13.6).

Рис 13.6. Структурная схема параллельного АЦП.

Устройство содержит делитель, образованный резисторами R_1, R₆₄, 64 компаратора К_1, К₆₄, преобразователь кода и регистр. На входы компараторов поступают входной сигнал Ux и напряжение с делителя. При этом на выходах компараторов формируется 64-х разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования. Полученный единичный код поступает на вход преобразователя кода, в котором он преобразуется в 6-ти разрядный двоичный код. Полученный двоичный код записывается в регистр и выдается на выходные шины. В данном АЦП время преобразования занимает один такт.

АЦП поразрядного взвешивания (или поразрядного кодирования) выполняет одно преобразование за n тактов (рис.13.7).

Рис 13.7. Структурная схема АЦП поразрядного кодирования

Основой АЦП является регистр последовательных приближений. Он представляет собой сдвигающий регистр, в котором последовательно, начиная со старшего разряда формируется логическая единица. В зависимости от сигнала U_упр, поступающего на его вход, эта единица или остается или заменяется логическим "0". Резистивная матрица формирует аналоговое напряжение, эквивалентное "весу" цифрового кода, поступающего на матрицу с регистра приближений. Схема сравнения сравнивает напряжения U_x и U_м, и в зависимости от их величин формирует сигнал U_упр на уровне лог."0" или лог."1".

Рассмотрим пример:

Пусть U_x = 7В, а U₀ = 10В, тогда в первом такте в старшем разряде регистра формируется лог."1" и U_м = 5В, U_м < U_x; U_упр = 1. Следовательно, в старшем разряде остается лог."1".

Во втором такте, в следующем n-1 разряде формируется лог."1" и U_м = 5В + 2,5В = 7,5В; U_м > U_x; U_упр = 0. Следовательно, единица в n-1 разряде заменяется на лог."0" и U_м = 5В.

В третьем такте в разряд n-2 регистра записывается лог."1" и U_м = 5В + 1,25В = 6,25В, Uм < Ux; Uупр. = 1. Следовательно, лог."1" в n-2 разряда остается.

В четвертом такте в разряд n-3 регистра записывается лог."1" и U_м = 5В + 1,25В + 0,625В = 6,875В, U_м < U_x; U_упр = 1. Следовательно, лог."1" остается в разряде n-3.

Процесс преобразования повторяется n тактов, в результате с регистра приближений снимается код преобразованной аналоговой величины.

АЦП поразрядного взвешивания нашли широкое применение при разработке ИС ввиду своей простоты и достаточно хорошего быстродействия.

Такие ИС могут иметь в своем составе генератор тактовых импульсов и источник эталонного напряжения или не иметь их.

В качестве примера рассмотрим АЦП, выполненное на ИС К1113ПВ1. ИС предназначена для преобразования однополярного или биполярного аналогового напряжения (U_вх = 010В или Uвх = -5В + 5В) в десятиразрядный двоичный код. Нелинейность преобразования ±0,1%, время преобразования 30 мкс. Для работы ИС требуется два источника питания +5В и –15В. В микросхему встроен внутренний источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов.

Рис 13.8. ИС К1113ПВ1 (а) и временная диаграмма ее работы (б).

Запуск АЦП производится лог."0". Цифровая информация с выходных шин снимается через 30мкс после поступления сигнала "Гашение-преобразование". T_преобр = 30мкс. Работа АЦП поясняется временной диаграммой его работы (рис. 13.8б).

Следящие АЦП в отличие от АЦП поразрядного взвешивания имеют в своем составе вместо регистра последовательных приближений реверсивный счетчик (рис.13.9). Работа АЦП поясняется временной диаграммой работы(б). Управление реверсивным счетчиком производится по управляющей шине "±" в зависимости от соотношения сигналов U_x и U_м. При изменении входного сигнала U_x, изменяется код реверсивного счетчика и напряжение с матрицы U_м "следит" за U_x.

Рис 13.9. Следящие АЦП (а),временная диаграмма ее работы (б).

Интегрирующие АЦП относятся к медленнодействующим преобразователям. Принцип их действия основан на преобразовании аналоговой величины во временной интервал t_x и формировании число-импульсного (единичного) кода путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты f₀. Значение единичного кода определяется соотношением:

N(1) = t_x* f₀

Число-импульсный код поступает на счетчик, на выходе которого формируется цифровой код. Структурная схема такого АЦП приведена на рис.13.10а.

Рис 13.10. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б) интегрирующего АЦП

Максимальное время преобразования зависит от разрядности АЦП и определяется где f₀ – период частоты кварцевого генератора.

Погрешность интегрирующего АЦП определяется, в основном, изменением наклона пилообразного напряжения, которое определяется постоянной времени RC интегратора (генератора пилообразного напряжения). Под воздействием внешних дестабилизирующих факторов, особенно температуры, постоянная времени, а следовательно, и наклон пилообразного напряжения меняется, что приводит к значительным погрешностям преобразования. Поэтому в настоящее время для построения интегрирующих АЦП используют принцип двойного интегрирования.

Принцип работы АЦП двойного интегрирования заключается в том, что сначала в течении некоторого фиксированного временного интервала Т₁ интегрируется аналоговая преобразуемая величина U_x, а затем интегрируется эталонное (опорное) напряжение противоположной полярности U_оп. Временной интервал Т₂ пропорционален преобразуемой величине U_x.

Рис 13.11. Структурная схема АЦП двойного интегрирования (а) и временная диаграмма его работы (б) Действительно в течении интервала времени Т₁ напряжение на выходе интегратора изменяется по линейному закону:

В течении интервала времени Т₂ выходное напряжение на выходе интегратора изменяется от Uвых.инт.мах до 0, т.е.

Следовательно,

Таким образом интервал времени Т₂ зависит от постоянной величины Т₁/U_оп и переменной U_х и не зависит от параметров интегратора. В этом можно убедиться на графике, приведенном на рис.13.12.

Рис 13.12. Напряжение на выходе интегратора при постоянной времени τ₁ = R₁ * C₁ (1) и при τ₂ = R₂ * C₂ (1) АЦП двойного интегрирования обеспечивает высокую точность преобразования в условиях промышленных помех в широком интервале температур и широко используется в измерительной технике и автоматизированных системах управления.

Например, основу всех мультиметров составляет АЦП двойного интегрирования, выполненная на микросхеме К572ПВ2 или К572ПВ5. ИС практически одинаковые, но первая работает на светодиодные индикаторы, а вторая – на жидкокристаллические индикаторы.

Микросхема К572ПВ2 совместно с источником опорного напряжения, несколькими резисторами и конденсаторами выполняет функции АЦП двойного интегрирования с автоматической установкой нуля ОУ и определением полярности входного сигнала.

Основные технические параметры ИС:

- разрядность – 3,5 десятичных разряда,

- входное сопротивление – 50Мом,

- входное напряжение - ±1,999Uоп(В),

- быстродействие – (2-9)Гц,

- потребляемый ток – 1,8 мА

- напряжение питания – 9В.

Рис 13.13. ИС К572ПВ2 (а) и выходное напряжение на выходе генератора (б)

Работа ИС происходит под воздействием тактовых импульсов f_ти внутреннего генератора импульсов в три этапа:

- на первом этапе Т₁, длительностью 4000 периодов f_ти, происходит интегрирование напряжения U_x,

- на втором этапе, длительностью от 0 до 8000 периодов, f_ти происходит интегрирование опорного напряжения U_оп и

- на третьем этапе, длительностью от 4000 до 12000 периодов f_ти, происходит автоматическая установка нуля ОУ.

Весь цикл преобразования занимает 16000 тактов.

Многоканальные АЦП широко используются для преобразования нескольких однотипных аналоговых величин. Такие АЦП включают в себя аналоговый коммутатор и один из рассмотренных выше АЦП.

Рис 13.14. Многоканальный АЦП

Преобразование происходит последовательно параметр за параметром. Аналоговый коммутатор поочередно подключает на вход АЦП через усилитель все входные сигналы.