Аналого-цифровые преобразователи. ЦАП с матрицей звездообразного типа

ЦАП с матрицей звездообразного типа

Кроме матрицы R-2R в ЦАП при числе разрядов не более десяти иногда используется звездообразная матрица (рис. 7.8). Она содержит меньше резисторов по-сравнению с предыдущей, но имеются определенные технологические трудности при изготовлении прецизионных сопротивлений больших номиналов.

Рис.7.8. ЦАП с матрицей звездообразного типа

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Т_отс и частота дискретизации f_пр связаны соотношением:

Т_отс = 1/f_пр.

В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов частота преобразования может быть установлена небольшой - единицы Герц и менее. В устройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления цифрового сигнала в исходную аналоговую форму. Например, преобразование речевого сигнала в дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как f_пр = 2F_мах, где F_мах - максимальная частота речевого сигнала.

Для обеспечения преобразования без искажений требуется выполнение условия:

t_пр < Т_отс,

где t_пр - время преобразования АЦП одного отсчета.

Основные параметры АЦП определяются также как и параметры ЦАП

(см. п. 7.1).

По принципу дискретизации и структуре построения АЦП делятся на две группы: 1-группа АЦП с применением ЦАП и 2-группа АЦП без ЦАП.

К первой группе относятся:

- АЦП последовательного счета (развёртывающего типа);

- АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);

- следящий АЦП.

Ко второй группе относятся:

- АЦП прямого преобразования;

- АЦП двойного интегрирования;

- АЦП дифференциального кодирования.

Каждый тип АЦП имеет свои достоинства и недостатки. На практике встречаются все выше перечисленные типы АЦП.

Сравнительные характеристики АЦП. Наибольшим быстродействием обладают АЦП прямого преобразования (параллельные АЦП). Время преобразования t_пр 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. 7.9. 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 t_здкр и преобразователе кодов t_здпр, т.е.

t_пр = t_здкр + t_здпр.

По своему быстродействию на втором месте находятся АЦП последовательного приближения (рис. 7.10). Время преобразования n- разрядного АЦП определяется как t_пр = 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. 7.11. После запуска, на выходе АЦП устатанавливается число, соответствующее половине напряжения полной шкалы U_пш / 2. Это напряжение сравнивается с входным

напряжением U_вх и, в зависимости от результата сравнения, компаратор вырабатывает два сигнала: U₁, когда U_{вых ЦАП} > U_вх и U₂ при U_{вых ЦАП} < U_вх. Если U_{вых ЦАП} меньше, чем U_вх ЛСУ вырабатывает команду, при которой к содержимому регистра последовательного приближения РПП прибавляется число, соответствующее половине напряжения, установленного в предыдущем такте. Если же U_{вых ЦАП} > U_вх , то из содержимого РПП это число вычитается (см. рис. 7.11). Это происходит до тех пор, пока напряжение приращения не станет равным DU_кв, т.е. U_n = DU_кв =U_пш/2^n..

Наибольшим времением преобразования (среди АЦП с использованием ЦАП) обладает АЦП последовательного счетаt_пр = 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. 7.12, 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. 103, 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 N_сч после его остановки будет соответствовать числу, определяемому входным аналоговым сигналом

N_сч = U_вх/ DU_кв.

Наибольшее число в счетчике соответствует входному напряжению, равному U_пш. При этом N_сч = 2ⁿ.