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,

δki —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 R₁…R₆₄, 64 компаратора К₁…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=0…10В или Uвх= -5В…+5В) в десятиразрядный двоичный код. Нелинейность преобразования ±0,1%, время преобразования 30мкс. 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.

Контрольные вопросы

01. Какие функции выполняет ЦАП?

02. Основные технические параметры ЦАП.

03. Принцип работы ЦАП.

04. Что представляет собой резистивная матрица R-2R?

05. Условное обозначение ИС К572ПА1.

06. Где применяются ЦАП?

07. Назначение АЦП.

08. Принцип работы АЦП.

09. Назовите основные параметры АЦП.

10. Классификация АЦП.

11. Поясните принцип работы АЦП поразрядного взвешивания.

12. Поясните принцип работы интегрирующего АЦП.

13. Почему АЦП двойного интегрирования нашли широкое применение в

измерительной аппаратуре?

23. Как строится многоканальный АЦП?