Лабораторный практикум _Корнев

7.2.1 Структурные схемы и принципы действия ацп

7.2.1.1 АЦП представляют собой устройства, преобразующие амплитуду (уровни) или другие параметры аналоговых сигналов различной природы в цифровой вид. "Аналого-цифровые преобразователи" позволяют вводить информацию, содержащуюся в массиве аналоговых сигналов, поступающих от датчиков, измерительных приборов и других устройств, в цифровые вычислительные или управляющие устройства, блоки и системы, в которых производится обработка цифровой информации.

К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько основных разновидностей АЦП:

- АЦП двойного интегрирования;

- АЦП последовательного счета;

- АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближения);

-АЦП параллельного действия.

Основными параметрами преобразователей являются: динамический диапазон входных сигналов, передаточная характеристика преобразования, число уровней квантования, цена младшего значащего разряда (МЗР) преобразования (ширина канала), быстродействие, погрешности преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейности преобразования).

7.2.1.2 Из всех видов АЦП наиболее простыми по принципу действия, но и наиболее сложными по конструктивной и технологической выполнимости являются АЦП параллельного действия.

На рисунке 7.6 представлена структурная схема АЦП параллельного действия, который содержит: источник опорного напряжения (Uоп), делитель опорного напряжения (R1-Rn), n компараторов (K1-Kn) равное числу уровней квантования, шифратор унитарного кода в двоичный код (D1). Каждый компаратор имеет входной дифференциальный каскад с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим. АЦП параллельного действия работает следующим образом. Делитель напряжений задает ряд опорных напряжений на всех, например, инвертирующих входах компараторов. Опорное напряжение на любом из компараторов определяется из выражения:

U_n= (U_оп/ N )  n ,

где: N - число уровней квантования АЦП;

n - номер компаратора (номер канала квантования);

U_оп/ N - ширина канала (цена младшего разряда АЦП).

Rn – резисторы прецизионного делителя;

Kn – компараторы уровня сигналов;

D1 – шифратор унитарного кода в двоичный

Рисунок 7.6 – Структурная схема АЦП параллельного действия

Входное преобразуемое напряжение Uвх поступает на все неинвертирующие входы компараторы. По сигналу "Строб", поступающего с устройства управления, входное напряжение сравнивается каждым компаратором с опорным напряжением. Компараторы выдают на выходе результат сравнения в виде "0" или "1" в зависимости от знака разности между опорным и входным напряжениями на их двух входах. После окончания сравнения кодовая комбинация с компараторов в виде унитарного кода поступает на шифратор, который на выходе выдает двоичный код уровня входного сигнала. Если для преобразователя известна цена младшего разряда (ЦМР), то величина уровня входного сигнала определяется произведением ЦМР и десятичного выходного кода преобразователя.

АЦП параллельного действия обладают самым высоким быстродействием из всех видов преобразователей. Время преобразования у современных устройств такого вида составляет величину 5-10 нс. Эти АЦП отличаются сравнительно небольшим числом уровней квантования (6-8 и редко 9-10 двоичных разрядов) и средней величиной погрешности преобразования (интегральная нелинейность не менее (1-i) МЗР). Следует отметить также технологическую сложность производства АЦП этого вида из-за большого числа элементов каждого вида, примерно равному числу уровней квантования.

7.2.1.3 Принцип действия АЦП с двукратным интегрированием (АЦП ДИ) основан на последовательном интегрировании сначала входного преобразуемого напряжения, затем опорного напряжения интегратором. В АЦП ДИ входят следующие устройства: двухпозиционный электронный ключ Кл (рисунок 7.7), интегратор И, схема управления СУ, генератор тактовых импульсов ГИ, компаратор К и счетчик СТ.

Рисунок 7.7 – Структурная схема АЦП (ДИ)

При интегрировании входного сигнала в течении некоторого фиксированного времени Т напряжение на выходе интегратора изменится на величину:

(1)

где: RC - постоянная времени интегрирования интегратора.

Если затем интегрировать опорное напряжение U_ОП противоположного знака, то напряжение на выходе интегратора примет исходное значение за некоторое время t, пропорциональное изменениям dU_C, т. е. величине U_ВХ.. В этом случае можно записать:

(2)

U_С=tU_ОП/RC

Из выражений (1) и (2) находим:

(3)

t = (U_ВХ./ U_ОП) Т

Таким образом, задача преобразования сводится к измерению фиксированного времени Т и переменного времени t, зависящего от U_ВХ.Время Т можно измерить, если заполнить полностью счетчик с фиксированной емкостью 2^Nимпульсами с тактовой частотой f . Тогда:

(4)

Т= 2^N/ f

Следующим шагом (после заполнения счетчика) будет продолжение счета тем же счетчиком в течение времени t. При этом счетчиком за время t будет подсчитано число импульсов:

n= f  t,

(5)

ткуда находим:

t = n / f

Подставляя в (3) выражения (4) и (5) получим:

(6)

n= 2^N(U_ВХ / U_ОП)

Следовательно, в счетчике запишется цифровой двоичный код, пропорциональный U_ВХ.

Алгоритм работы схемы, приведенный на рисунке 7.7, будет следующим:

- схема управления СУ выдает команду на двухпозиционный ключ Кл и подключает U_ВХ к интегратору, одновременно сбрасывается счетчик СТ в "0" состояние и начинается процесс интегрирования поданного напряжения. Выходное напряжение интегратора изменяется и при достижении порога срабатывания компаратора вызывает появление на его выходе изменение логического уровня;

- логический сигнал с выхода компаратора поступает на схему управления СУ, которая сигналом "Счет" открывает через элемент "И" счет импульсов в счетчике от тактового генератора;

- после заполнения счетчика и его самообнуления импульсом с номером счетчик с его старшего разряда поступает сигнал "Повтор" на СУ, по которому СУ переключает ключ Кл в положение U_ОПи процесс интегрирования повторяется для U_ОП. Одновременно продолжается счет импульсов с генератора в счетчике;

- в некоторый момент времени t компаратор возвращается в исходное состояние, счет в счетчике останавливается с числом подсчитанных импульсов

n= 2^N(U_ВХ./U_ОП), преобразование входного напряжения в цифровой код заканчивается;

- цифровой код со счетчика переписывается в регистр хранения по команде "Запись" с СУ. Следующий цикл преобразования происходит после переноса информации в регистр хранения с поступлением очередного импульса "Запуск".

К недостаткам АЦП (ДИ) можно отнести невысокое быстродействие. Однако, у них практически отсутствует зависимость погрешности преобразования от изменения параметров элементов схемы. Эти преобразователи обладают высокой точностью преобразования. Дифференциальная нелинейность может быть в пределах 0,01 – 0,1 цены МЗР, интегральная нелинейность – (0,001-0,01) МЗР.

7.2.1.4 АЦП с поразрядным уравновешивание АЦП (ПУ) нашли самое широкое распространение. АЦП (ПУ) характерны такие свойства, как большое число уровней квантования (до 12 -14 двоичных разрядов), среднее быстродействие (10⁵- 10⁶преобразований в с). Существенным недостатком АЦП (ПУ) являются большие значения дифференциальной и интегральной нелинейностей (1/ 2 - 1 цены МЗР).

На рисунке 7.8 приведена структурная схема АЦП (ПУ), которая включает: регистр последовательных приближений (РПП), цифро - аналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор (К), генератор тактовых импульсов (ГИ), регистр хранения (RG), схему управления (СУ), источник опорного напряжения (ИОН). В момент поступления сигнала "Пуск" со схемы управления СУ на регистр последовательных приближений начинается цикл преобразований в АЦП в следующей последовательности:

- сигналом "Пуск" в старший разряд РПП заносится лог. "1", а в остальные разряды лог. "0";

Рисунок 7.8 – Структурная схема АЦП (ПУ) и временная диаграмма, поясняющая принцип преобразования

- на выходе ЦАП появляется напряжение, равное половине опорного напряжения с ИОНа. Если U_ВХ 1/2 U_ОП, то на выходе компаратора появляется лог. "1" , поступающая на РПП и в старшем разряде РПП сохраняется "1", записанная при пуске преобразователя. В противном случае компаратор выдает “0” и в старшем разряде РПП стирается "1" и записывается "0";

- с поступлением второго импульса с ГИ на РПП происходит запись "1" в следующий старший разряд и на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее коду двух старших разрядов РПП, которое также может быть меньше или больше входного напряжения и во второй разряд РПП запишется "0" или "1" в зависимости от выходного состояния компаратора;

- далее происходит последовательное опробирование каждого следующего разряда РПП и последовательное сравнение входного напряжения и напряжения с ЦАП. После опроса младшего (последнего) разряда с РПП появляется сигнал "Конец преобразования" (КП), а в РПП будет записан код, соответствующий входному напряжению с погрешностью, равной + - 1/2 цены младшего значащего разряда;

- по сигналу "КП" схема управления вырабатывает сигнал "Запись" на регистр хранения и данные переносятся в RG. После этого цикл измерений повторяется по сигналу "Пуск" со схемы управления.

Российская электронная промышленность выпускает сейчас несколько типов АЦП (ПУ), например: 1113 ПВ1, 1108 ПВ2. АЦП ПУ 1113 ПВ 1 имеют выходные шинные формирователи с тремя состояниями и могут подключаться непосредственно к микропроцессорной системе и управляться от нее.

Содержание