1 АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП)

1 АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП)
АЦП – устройства, преобразующие аналоговый сигнал (напряжение) в соответствующий
ему код (двоичный, десятичный и т.д.).
Методы преобразования:
1) последовательный счет (динамическая компенсация);
2) слежение;
3) поразрядное уравновешивание (весовой метод);
4) параллельное преобразование;
5) интегрирование.
11.1 АЦП последовательного счета
Структура такого АЦП показана на рис.10-4.
Рис.11-1 АЦП последовательного счета
На выходе счетчика появляется нарастающий код, который ЦАПом преобразуется в
нарастающее напряжение Uцап. В тот момент, когда Uцап = Uвх, компаратор выдает
сигнал равный "1", по которому полученный код записывается в регистр, и (с некоторой
задержкой) сбрасывается счетчик. Процесс повторяется непрерывно.
Рис.11-2 Процесс преобразования в АЦП
Недостаток: время преобразования пропорционально величине сигнала Uвх, поэтому
отслеживать можно только сравнительно медленные сигналы.
11.2 Следяший АЦП
В нем применяется реверсивный счетчик, переключаемый сигналом с выхода
компаратора. Поэтому АЦП отслеживает изменения напряжения на входе не начиная цикл
с начала.
Рис.11-3 Работа следящего АЦП
11.3 АЦП поразрядного уравновешивания
Уравновешивание начинается со старшего разряда кода на выходе АЦП; в нем
устанавливается "1" и оценивается знак разности преобразуемого сигнала и
уравновешивающего сигнала, формируемого в ЦАП. Если Uцап < Uвх, то "1" сохраняется,
если Uцап > Uвх, то "1" сбрасывается. Затем аналогично проверяются все остальные
разряды. Уравновешивание происходит за n шагов при n разрядах.
11.4. АЦП параллельного преобразования
Это самый быстрый метод: преобразование выполняется за 1 шаг.
Для построения n–разрядного АЦП параллельного преобразования требуется 2n-1
компараторов. На рис.11-4 приведена структурная схемя простейшего трехразрядного
АЦП, поясняющая принцип работы. Здесь n = 3, поэтому требуется 23-1 = 7
компараторов.
Рис.11-4 Трехраэрядный АЦП поразрядного уравновешивания
В делителе верхний и нижний резисторы вдвое меньшей величины, это обеспечивает
напряжение на прямых входах компаратора х+0,5В. Благодаря этому АЦП выдает
напряжения с учетом правила округления (0B < Uвх <0,5B → 0B; 0,5B < Uвх < 1,5B → 1B
и т.д.). Дешифратор преобразует код, поступающий с компараторов в двоичный код
(таблица 12).
Таблица 12 Преобразования выполняемые дешифратором
К7
0
0
0
0
К6
0
0
0
0
К5
0
0
0
0
К4
0
0
0
0
К3
0
0
0
1
К2
0
0
1
1
К1
0
1
1
1
D2
0
0
0
0
D1
0
0
1
1
D0
0
1
0
1
Параметры АЦП К1107ПВ1 (2):
ПВ1 – 6 разрядов, 63 – компаратора, tпр = 0,1 мкс.
ПВ2 – 8 разрядов, 255 – компараторов.
11.5 Интегрирующие АЦП
Они работают медленнее других АЦП, но обладают высокой помехоустойчивостью.
Используются в системах выполняющих до нескольких тысяч измерений в секунду.
11.5.1 АЦП однократного интегрирования
Рис.11-5 АЦП однократного интегрирования
Алгоритм работы
На входы компаратора поступает напряжение Uвх, которое нужно преобразовать в код и
напряжение от генератора линейно нарастающего напряжения Uлин. Пока Uлин < Uвх, К
= 1 – идет счет импульсов. В момент времени t = t0, когда Uлин = Uвх, К = 0 – счет
прекращается. Результат счета пропорционален Uвх. ГЛИН обычно строится на основе
ОУ (рис.11-5). Счётчик считает импульсы ГТИ (рис.11-6) в интервале времени 0 – t0.
Количество импульсов пропорционально Uвх.
Недостаток: на точность преобразования очень сильно влияет нелинейность ГЛИН.
Рис.11-6 ГЛИН-интегратор на ОУ
11.5.2 Метод двойного интегрирования
Рис.11-7 Диаграмма работы АЦП двойного интегрирования
На вход АЦП подается преобразуемое напряжение, и интегрирование производится
всегда в течении одинаковых интервалов времени 0 - t1. В момент t1 ко входу интегратора
прикладывается всегда одинаковое напряжение обратного знака -Uопорное. Происходит
"разинтегрирование" до момента времени t2 (или t3), когда напряжение на выходе
интегратора станет равным 0.
Тогда интервал времени t2 – t1 (или t3 – t1) отображает во временном масштабе Uвх.
Если в течении этого интервала считать импульсы от генератора, то количество
импульсов пропорционально Uвх, то есть напряжение превращено в код.
Достоинства: тактовая частота и постоянная времени ГЛИН не влияют на точность.
Важно лишь, чтобы ƒТ = const в интервале времени 0 - t. Достижимая погрешность d =
0,01%.
Пример интегрирующего АЦП микросхема КР572ПВ2:
tинт = 103Т, ƒТ = 10 - 50 кГц, tинт = от 0,02с до 0,1с.
Если ƒТ = ƒпомех/n, то АЦП нечувствителен к этой помехе. Цепь интегрирования в
интеграторе – навесная: С = 0,1мкФ, R1 = 47кОм (Uвх = ±0,2B), если R1 = 470кОм (Uвх =
±2В).
Линейность напряжения интегратора очень зависит от качества конденсатора С. Если
применен керамический конденсатор, то d = 0,1%; полистироловый – 0,01%;
полипропиленовый – 0,001%.