Аналого-цифровые преобразователи.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования различных непрерывных физических параметров (аналоговых величин) в цифровую форму с целью дальнейшего использования в цифровых системах управления на основе микропроцессоров, микроконтроллеров или компьютеров.

В большинстве случаев выполняется аналого-цифровое преобразование напряжения, тока или интервала времени в цифровой код. Все остальные физические параметры чаще всего предварительно преобразуются в напряжение, ток или временной интервал, и только потом в цифровой код.

Наиболее широкое распространение получили АЦП напряжения в цифровой код.

В настоящее время известно достаточно много способов выполнения аналого-цифрового преобразования напряжения:

· АЦП с промежуточным преобразованием во временной интервал;

· разворачивающий АЦП с использованием ЦАП в цепи обратной связи;

· АЦП поразрядного уравновешивания;

· АЦП с двойным интегрированием;

· параллельные АЦП и др.

Наиболее простым и наглядным преобразователем является АЦП напряжения с промежуточным преобразованием во временной интервал.

Способ преобразования основан на том, что входное напряжение АЦП предварительно преобразуется во временной интервал за счет использования генератора линейно растущего напряжения (напряжения развертки), а затем полученный временной интервал преобразуется в цифровой код (рис. 14.23).

Рис. 14.23. Способ построения АЦП с промежуточным преобразованием

напряжения во временной интервал.

Принятые обозначения: U_x – входное напряжение АЦП, которое подвергается преобразованию; U_р – линейно растущее напряжение развертки; Вых. Тг – состояние триггера, формирующего временной интервал; G_ти – выход генератора тактовых импульсов стабильной частоты; Вх.С Ст2 – вход двоичного счетчика импульсов, формирующего результат преобразования.

В момент начала преобразования запускается генератор развертки и одновременно устанавливается триггер формирования временного интервала. Выходное напряжение генератора развертки линейно растет, и в момент равенства напряжений U_р=U_x выполняется сброс триггера. Таким образом триггер сформировал временной интервал длительностью τ=t₁. При этом длительность полученного временного интервала τ пропорциональна величине U_x, так как:

, где tgφ=Q – скорость нарастания напряжения развертки.

Полученный временной интервал элементарно преобразуется в цифровой код путем его заполнения импульсами стабильной частоты. На рис. 14.23 показаны импульсы на выходе генератора тактовых импульсов G_ти и ниже то количество импульсов, которое успеет пройти на вход С счетчика импульсов Ст2 за время τ.

Пусть f_ти – стабильная частота тактовых импульсов, f_ти =constant. Тогда период следования тактовых импульсов 1/ f_ти. Следовательно счетчик импульсов Ст2 подсчитает N= τ/(1/ f_ти)= τ· f_ти импульсов.

Так как τ = U_x/Q, то N= U_x· f_ти /Q. Отсюда видно, что выходной код преобразования пропорционален входному напряжению U_x.

Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 14.24.

Рис. 14.24. Структура АЦП с промежуточным преобразованием напряже-

ния во временной интервал.

В исходном положении триггер Тг находится в нулевом состоянии и своим сигналом нулевого уровня с прямого выхода удерживает выходное напряжение генератора развертки U_р=0, и одновременно блокирует прохождение тактовых импульсов от генератора G_ти через элемент И на С-вход счетчика импульсов Ст2. В счетчике импульсов Ст2 сохраняется результат предыдущего преобразования.

При нажатии кнопки «Пуск» формирователь короткого импульса F формирует короткий импульс, который устанавливает триггер Тг в единичное состояние, и одновременно выполняет сброс счетчика импульсов Ст2. Единичный логический уровень с прямого выхода триггера Тг запускает генератор развертки и разрешает прохождение тактовых импульсов от генератора G_ти через элемент И на С-вход счетчика импульсов Ст2. Генератор развертки формирует линейно растущее напряжение во времени. Такое состояние схемы сохраняется до момента срабатывания компаратора К при условии U_р=U_x. В этот момент времени (t=t₁) выходным сигналом компаратора триггер Тг сбрасывается в нулевое состояние и блокирует прохождение тактовых импульсов от генератора G_ти через элемент И на С-вход счетчика импульсов Ст2, одновременно обнуляется выходное напряжение генератора развертки (U_р=0). Кодовое состояние счетчика импульсов Ст2 соответствует результату преобразования.

Достоинством такого АЦП является его простота.

К недостаткам следует отнести низкое быстродействие и невысокую точность. Погрешность такого АЦП определяется чувствительностью компаратора К, линейностью напряжения развертки U_р и стабильностью частоты генератора тактовых импульсов G_ти.

Несколько лучшими свойствами обладает АЦП разворачивающего типа с использованием ЦАП в цепи обратной связи (рис. 14.25). ЦАП формирует линейно растущее напряжение развертки U_р=f(N) при линейно растущем кодовом состоянии счетчика импульсов (N) в режиме непрерывного счета импульсов.

Рис. 14.25. Структура разворачивающего АЦП с использованием ЦАП в

цепи обратной связи

Такой АЦП отличается от предыдущего способом формирования линейно растущего напряжения развертки U_р.

В момент пуска совершенно аналогично триггер Тг устанавливается в единичное состояние, также выполняется сброс счетчика импульсов Ст2 и тактовые импульсы от G_ти проходят через элемент И на С-вход Ст2. Счетчик импульсов Ст2 работает в режиме непрерывного счета и его кодовое состояние практически линейно растет от нулевого значения. Соответственно также линейно растет выходное напряжение ЦАП. В момент времени когда U_р=U_х срабатывает компаратор и сбрасывает триггер Тг в нулевое состояние. Счет импульсов в Ст2 останавливается и с выходов Ст2 снимается результат преобразования.

Достоинством такого АЦП является то, что линейность напряжения развертки жестко определяется характеристикой ЦАП, так как U_р и входной код N связаны однозначной зависимостью U_р=Q·N. По этой же причине отпадает требование стабильности к частоте тактовых импульсов.

В числе недостатков такого АЦП следует отметить его усложнение и по прежнему низкое быстродействие. Кроме того, оба типа рассмотренных АЦП имеют слабую помехоустойчивость.

В плане повышения помехоустойчивости выгодно отличается от рассмотренных АЦП напряжения с двойным интегрированием.

Суть аналого-цифрового преобразования методом двойного интегрирования заключается в том, что преобразуемое напряжение U_х с помощью интегратора интегрируется в течении фиксированного интервала времени Т₁=constant, затем вход интегратора переключается на источник опорного напряжения противоположной полярности U₀, и выполняется обратный ход интегрирования до равенства нулю выходного напряжения интегратора (рис. 14.26). Измеряется длительность интервала времени обратного хода интегрирования Т₂, формируемого с помощью триггера Тг (рис. 14.26). Величина Т₂ пропорциональна преобразуемому напряжению U_х. Далее полученный интервал времени Т₂ преобразуется в цифровой код так же, как было описано ранее.

Рис. 14.26. Способ аналого-цифрового преобразования методом двойного

интегрирования.

На первом этапе интегрирования выходное напряжение интегратора при нулевых начальных условиях увеличится до значения:

На втором этапе интегрирования аналогично и противоположно:

Тогда:

Отсюда:

В результате преобразования временного интервала Т₂ в цифровой код получим:

Структура АЦП напряжения с двойным интегрированием приведена на рис. 14.27.

Перед началом преобразования АЦП находится в следующем состоянии. Оба триггера Тг₁ и Тг₂ находятся в нулевом состоянии, ключ S₁ подключает преобразуемое напряжение -U_x на вход интегратора, построенного на основе операционного усилителя (ОУ), ключ S₂ удерживается в замкнутом состоянии единичным логическим уровнем с инверсного выхода триггера Тг₁, в результате выходное напряжение интегратора равно нулю. Триггер Тг₂ блокирует прохождение тактовых импульсов от генератора G_ти через элемент И на вход счетчика импульсов Ст2. В счетчике Ст2 сохраняется результат предыдущего преобразования, если оно выполнялось.

При нажатии кнопки «Пуск» запускается формирователь короткого импульса F₁, который своим выходным сигналом устанавливает триггер Тг₁ в единичное состояние. Сигналом с прямого выхода Тг₁ запускается таймер Т₁, а нулевым сигналом с инверсного выхода Тг₁ ключ S₂ размыкается, и начинается процесс интегрирования входного напряжения в течении интервала времени Т₁.

Рис. 14.27. Структура АЦП напряжения с двойным интегрированием.

В таком состоянии находится преобразователь весь интервал времени Т₁. В момент окончания этого интервала времени (от момента запуска) таймер Т₁ выдает на свой выход единичный логический уровень, который перекидывает ключ S₁ для подключения на вход интегратора опорного напряжения +U₀, и одновременно через формирователь короткого импульса F₂ устанавливает триггер Тг₂ в единичное состояние. С этого момента начинается второй этап интегрирования. Единичным сигналом с прямого выхода Тг₂ разрешает прохождение тактовых импульсов через элемент И на С-вход счетчика импульсов Ст2, и в счетчике идет подсчет импульсов.

В момент времени, когда выходное напряжение интегратора станет равным нулю срабатывает компаратор К (формирует скачок напряжения), и через формирователь короткого импульса F₃ сбрасывает триггер Тг₁ в нулевое состояние, который в свою очередь единичным сигналом с инверсного выхода сбрасывает триггер Тг₂ тоже в нулевое состояние. Триггер Тг₂ блокирует прохождение тактовых импульсов через элемент И на С-вход счетчика Ст2, в котором сформирован результат преобразования. Таким образом АЦП снова находится в исходном состоянии.

Основным достоинством такого АЦП является его высокая помехоустойчивость, и поэтому такой АЦП находит весьма широкое применение.

Свойство помехоустойчивости достигается тем, что длительность первого этапа интегрирования Т₁ выбрана равной периоду самой мощной электромагнитной помехи – это наводка от силовой промышленной электрической сети 380/220 В, 50 Гц. То есть длительность Т₁=0,02с (20mc). Тогда в результате интегрирования преобразуемого напряжения –U_х вместе с наведенной помехой влияние помехи практически исключается (рис. 14.28).

Рис. 14.28. Первый этап интегрирования преобразуемого напряжения –U_х

вместе с наведенной помехой с амплитудой U_п.

Так как длительность первого этапа интегрирования Т₁ равна периоду колебания помехи, то есть ω·Т₁=2π, то интеграл от синусоидальной помехи за период равен нулю. Таким образом, в результате интегрирования помеха с частотой 50 Гц исключается. Но в результате того, что реальная частота силовой сети всегда меньше, обычно около 49,5 Гц, то силовая помеха исключается не полностью. Для полного исключения влияния сетевой помехи необходимо формировать длительность первого этапа интегрирования строго равной периоду частоты сети, и так как частота все время меняется, то этот период все время надо отслеживать.

Такой АЦП обладает невысоким быстродействием, и на его погрешности также влияют чувствительность компаратора К, разрядность преобразователя и нестабильность генератора тактовых импульсов G_ти.

Контрольные вопросы

1. Понятие аналого-цифрового преобразователя (АЦП), его функции назначение и применение?

2. Обзор способов выполнения аналого-цифрового преобразования?

3. Способ выполнения аналого-цифрового преобразования напряжения с промежуточным преобразованием во временной интервал?

4. Структура и принцип действия АЦП напряжения с промежуточным преобразованием во временной интервал?

5. Составляющие погрешности АЦП напряжения с промежуточным преобразованием во временной интервал?

6. Способ выполнения аналого-цифрового преобразования напряжения с использованием ЦАП в цепи обратной связи?

7. Структура и принцип действия АЦП напряжения с использованием ЦАП в цепи обратной связи?

8. Составляющие погрешности АЦП напряжения с использованием ЦАП в цепи обратной связи?

9. Способ выполнения аналого-цифрового преобразования напряжения методом двойного интегрирования?

10. Структура и принцип действия АЦП напряжения с двойным интегрированием?

11. Составляющие погрешности АЦП напряжения с двойным интегрированием?

12. Почему АЦП напряжения с двойным интегрированием обладает повышенной помехоустойчивостью?