Аналогоцифровые преобразователи

АЦП представляет собой устройства для преобразования различных электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости и т.п.) в цифровой код. Чаще всего в качестве входной величины используется напряжение, так что для других величин перед подачей на такой АЦП требуется их предварительное преобразование. Алгоритм работы АЦП содержит три основные независимые операции:

1) дискретизацию – представление непрерывного сигнала его дискретными значениями через определенные промежутки времени (обычно это период дискретизации T = t_{i +1} – t_i, рис. 5.14). Выбор Т базируется на теореме отсчетов Найквиста–Шеннона–Котельникова, согласно которой для полного восстановления дискретизированного сигнала с максимальной частотой f_max достаточно обеспечить частоту дискретизации f_дис ³ 2 f_max;

2) квантование – ограничение значений А (t_i) определенными уровнями квантования (обычно с шагом h, рис. 5.15), что в принципе представляет операцию округления непрерывной величины в отдельных точках до ближайшего целого значения nh. Погрешность квантования в АЦП определяется как единица младшего значащего разряда (MЗP);

3) кодирование – представление дискретных квантованных величин в виде цифрового кода. В АЦП используются четыре основных типа кодов: бинарный (БК), десятичный (ДК), двоично–десятичный и код Грея, при этом чаще всего АЦП работают с БК, для которого число N имеет вид

                     ,     (5.14)

где k_{n -1} k_{n -2}… k ₁ k ₀ – кодовое слово, пропорциональное N.

Качество АЦП оценивают по основным метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим характеристикам АЦП относят число разрядов, погрешность преобразования, входное и выходное сопротивления, диапазон обрабатываемых сигналов, к динамическим – время преобразования, максимальную частоту дискретизации, динамическую погрешность.

По признаку измеряемого значения параметра (в нашем случае напряжения) все используемые АЦП можно разделить на два типа: АЦП мгновенных значений напряжения и интегрирующие (средних значений напряжения) АЦП. АЦП мгновенных значений включают следующие основные виды:

1) АЦП последовательного счета, структурная схема которого приведена на рис. 5.16 а, начинает работу с команды «ПУСК», запускающей счетчик тактовых импульсов, связанный с ЦАП, выход которого соединен с компаратором, сравнивающим U_вх (t) с U (t) на выходе ЦАП. Как только значение U (t) становится равным или большим U_вх (t), с выхода компаратора подается команда «СТОП», останавливающая счетчик, с выходного регистра которого снимается код, соответствующий U_вх (t) = U (t). Видно  (рис. 5.16 б), что время преобразования такого АЦП зависит от уровня U_вх (t), причем, если число разрядов счетчика n, а период тактовых импульсов С_р – Т, то максимальное время преобразования определяется как

                                               .                                (5.15)

Например, при n = 10 и Т = 1 мкс (т.е. при f_T = 1 МГц) получаем мс, что соответствует сравнительно небольшой максимальной частоте преобразования  КГц;

2) АЦП последовательного приближения, структурная схема которого отличается от рис. 5.16 а заменой счетчика импульсов на регистр последовательных приближений (РПП), вместо алгоритма простого перебора (рис. 5.16 б) использует метод половинного деления (дихотомии, рис. 5.17), что позволяет n –разрядному АЦП выполнять весь процесс преобразования за n итераций (вместо 2 ^{n –1} для последовательного счета) с существенным выигрышем в быстродействии (в среднем на 1…2 порядка);

3) параллельный АЦП (структурная схема на рис. 5.18) осуществляет одновременное квантование входного сигнала U_вх (t) с помощью набора компараторов, преобразуя его в унитарный код. При этом пороговые уровни компараторов формируются с помощью резистивных делителей в соответствии с используемой шкалой квантования (например, для БК все резисторы делителей имеют одинаковую величину R). Для перехода от унитарного кода к двоичному (или двоично–десятичному) используют кодирующие преобразователи. Время преобразования такого АЦП составляет один такт, т.е. t_пр = T, в настоящее время они являются самыми быстрыми и могут работать с частотами МГц. Основной недостаток параллельных АЦП – экстремально большое число компараторов, что ведет к увеличению потребляемой мощности и удорожанию их производства.

4) последовательно–параллельные (конвейерные) АЦП (рис. 5.19) осуществляют преобразование в несколько тактов. На первом такте АЦП₁ преобразует старшие разряды U_вх в цифровой код (на схеме это 2⁵, 2⁴, 2³), на втором эти разряды с помощью ЦАП восстанавливаются и вычитаются из входного сигнала в вычитающем устройстве ВУ, на третьем АЦП₂ преобразует полученную разность в код младших разрядов 2², 2¹, 2⁰. Такие АЦП имеют меньшее быстродействие по сравнению с параллельными, зато значительно снижают требуемое число компараторов (в нашем примере с 64 до 16). При необходимости число каскадов в таких АЦП может быть увеличено.

5) АЦП с время–импульсным преобразованием, основанные на преобразовании входного напряжения во временной интервал, в течение которого счетчиком подсчитывается количество тактовых импульсов, имеют очень низкое быстродействие (в лучшем случае 20…50 мкс), поэтому на практике используются сравнительно редко.

6) среди появившихся в последнее время АЦП с улучшенными характеристиками наибольшей популярностью пользуются АЦП с сигма–дельта модулятором (рис. 5.20), реализующим два процесса: интегрирование за малое время и сложение результатов интегрирования, т.е. осуществляющим преобразование напряжения в частоту с компенсацией заряда, накопленного в интеграторе. Основное достоинство сигма–дельта АЦП – высокая разрядность, недостаток – низкое быстродействие.

АЦП средних значений напряжения (интегрирующие АЦП) также включают несколько видов:

1) интегрирующие АЦП с время–импульсным преобразованием (структурная схема на рис. 5.21) осуществляют преобразование U_вх в несколько этапов: на первом (Т ₀)производится заряд емкости интегратора, на втором  (Т_Х)   – его разряд с постоянной скоростью, на третьем – коррекция нулевого уровня интегратора (рис. 5.21 б). В момент Т ₀ через схему управления запускается счетчик, в момент Т_Х компаратор его останавливает и образующийся на его выходах числовой код  оказывается пропорциональным U_вх (t). Поскольку во время заряда интегратора средняя величина напряжения помехи , то интегрирующие АЦП отличаются высокой помехоустойчивостью, хотя их быстродействие оставляет желать лучшего.

2) АЦП с частотно–импульсным преобразованием (рис. 5.22) основаны на применении преобразователя напряжение–частота (ПНЧ), после которого счетчик подсчитывает образовавшееся количество импульсов за определенный интервал времени Т_изм.

За последнее время многие фирмы организовали производство серийных ИС АЦП, основанных на различных принципах и предназначенных для работы в разных интерфейсах. При этом резко увеличилась разрешающая способность АЦП, повысилось быстродействие и снизилась потребляемая мощность. Из таблиц 5.4, 5.5, где представлены номенклатура и основные характеристики некоторых типов серийных АЦП, видно, что наиболее распространенными являются 8–, 10–, 12– и 16–разрядные АЦП, а их максимальное быстродействие достигает 10^–8 с (~100 МГц).

Таблица 5.4. Основные характеристики АЦП мгновенных значений

Таблица 5.5. Основные характеристики интегрирующих АЦП