Аналого-цифровые преобразователи

Под аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации, представленной в аналоговой форме, к информации в цифровой форме. В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напряжение, выходным – соответствующее ему значение цифрового (обычно двоичного) кода. Структурная схема АЦП в общем виде показана на рис. 4.47. В рассматриваемом преобразователе происходит квантование входного напряжения на конечное число уровней N=2ⁿ, определяемых разрядностью выходного цифрового кода. Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т.е. максимальная погрешность квантования равна , где - шаг квантования.

Основные параметры АЦП: разрядность n; точность преобразования, зависящая от шага квантования и ошибок, вносимых основными узлами АЦП; а также время преобразования, необходимое для представления мгновенного значения аналогового сигнала в цифровой форме.

Состав АЦП в отличие от ЦАП может изменяться в значительной степени в зависимости от метода преобразования и способа его реализации. Характерными методами преобразования являются: параллельное и последовательное.

Рассмотрим АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 4.48. Основными элементами n разрядного параллельного АЦП являются N-1 компараторов напряжения. На инвертирующий дифференциальный вход каждого компаратора подается свое опорное напряжение, формируемое внутренним резисторным делителем, подключенным к источнику опорного (эталонного) напряжения U_ОП. Разность между опорными напряжениями любых двух соседних компараторов равна шагу квантования h=U_ОП/N=U_ОП/2ⁿ.

Неинвертирующие входы компараторов объединены и на них подается входной аналоговый сигнал. Если опорное напряжение на инвертирующем входе компаратора больше напряжения на неинвертирующем входе, т.е. U_ОПi>U_ВХ, то на выходе Q_i компаратора устанавливается уровень соответствующий логическому нулю, а если U_ОПi>U_ВХ - логическая единица. По параллельному методу входное напряжение одновременно сравнивают с N-1 опорным напряжением и определяют между какими опорными уровнями оно лежит. Информация о мгновенном значении входного сигнала в виде (2ⁿ-1) разрядного единичного позиционного кода Q₁, Q₂, …, Q_N-1 поступает на входы преобразователя кода, в котором формируется двоичный n-разрядный код X₁, X₂, …, X_n. При необходимости в состав преобразователя кода может входить регистр хранения информации.

Параллельный АЦП имеет высокое быстродействие, но велики аппаратурные затраты, т.к. количество компараторов быстро увеличивается с ростом числа разрядов АЦП.

Последовательный АЦП следящего типа основан на уравновешивании входного сигнала суммой одинаковых и минимальных по величине эталонов. Момент уравновешивания определяется с помощью одного компаратора, а количество эталонов, уравновешивающих входной сигнал подсчитывается счетчиком. Структурная схема следящего АЦП с ЦАП в цепи обратной связи представлена на рис. 4.49.

По мере поступления тактовых импульсов от генератора тактовых импульсов (ГТИ) на счетный вход реверсивного счетчика растет входной код ЦАП и повышается напряжение на его выходе. Оно подается на компаратор вместе с входным напряжением U_ВХ. В момент, когда указанные напряжения сравниваются, компаратор срабатывает и переключает счетчик на вычитание.

Входной код ЦАП уменьшается и когда U_ВХ становится меньше напряжения U_ЦАП, компаратор снова переключает счетчик в режим суммирования. Таким образом, АЦП отслеживает изменение входного сигнала. На выходах счетчика устанавливается код, являющийся эквивалентом входного сигнала. Время установления кода непостоянно и зависит от характера изменения входного сигнала.

АЦП следящего типа требует незначительных аппаратурных затрат, используются простые средства и достигается высокая точность. Конечно, время преобразования оказывается достаточно большим. В случае, когда входное напряжение изменяется медленно (например, напряжение с выхода датчика температуры) все же можно получить малые времена срабатывания, т.к. благодаря свойству отслеживания аппроксимация носит непрерывный характер, а не начинается каждый раз с нуля.

Быстродействие последовательного АЦП можно значительно увеличить, предусмотрев наличие эталонов, пропорциональных весу разрядов, но при этом усложняется логическое устройство управления (метод поразрядного уравновешивания или последовательного приближения). В АЦП последовательного приближения, вместо счетчика (рис. 4.49) используется специальный регистр последовательного приближения (РПП). Этот регистр с каждым тактом выдает единицу на один разряд, начиная со старшего. Остальные разряды равны нулю. Таким образом входное напряжения сравнивается с половинным значением от всего диапазона напряжения. Если входное напряжение превышает этот уровень, компаратор выдает 1, которая записывается в данный разряд РПП. Иначе туда записывается 0. В следующем такте регистр ПП выдает 1 на более младший разряд числа, обнуляя другие, более младшие разряды. С учетом записанного старшего разряда, получаем взвешивание входа с ¼ диапазона напряжения. Затем взвешивание идет с 1/8 диапазона. Процесс продолжается до достижения самого младшего разряда. Результат фиксируется во внешнем регистре и процесс повторяется, начиная со старшего рязряда. Такой алгоритм похож на взвешивание предмета на весах с использованием ряда гирек уменьшающегося веса от ½ , ¼ и до 1/n килограмма. Достаточно последовательно использовать каждую гирьку, начиная с самой тяжелой, оставляя или убирая ее, в зависимости от результата взвешивания.

Как видно из рассмотренных схем ЦАП и АЦП, в их состав входят различные аналоговые и цифровые узлы. Промышленность выпускает преобразователи в виде отдельных микросхем или их наборов. Основные направления развития ЦАП и АЦП – повышение быстродействия, повышение точности, увеличение разрядности.

Более подробные сведения о ЦАП и АЦП на микросхемах можно найти в [15, 16 ].