Последовательный АЦП

Последовательный АЦП по своему построению существенно отличается от параллельного. В схеме – всего один компаратор. На один из его входов поступает аналоговый многоуровневый сигнал, а на другой – порог, с которым он сравнивается. Однако этот порог – не постоянный, а меняющийся пошагово. Пошагово меняющийся порог – не что иное, как ступенчато изменяющееся напряжение, и для его формирования используют ГСИН.

Упрощенная функциональная схема последовательного АЦП приведена на рис. 11.22, а поясняющие процесс преобразования диаграммы напряжений в точках схемы – на рис. 11.23. Генератор тактовых импульсов, схема И, двоичный счетчик и ЦАП образуют ГСИН.

Рис. 11.22

Допустим, что аналоговый сигнал впервые после начала работы АЦП поступил на компаратор. Счетчик обнулен, поэтому на выходе ЦАП – нулевое напряжение. Компаратор сравнивает аналоговый сигнал с нулевым порогом. Схема компаратора собрана так, что при превышении сигналом порога на его выходе имеет место уровень U¹ и схема И пропускает тактовые импульсы в счетчик. При поступлении первого тактового импульса в счетчик напряжение на выходе ЦАП повышается на одну «ступеньку» и теперь аналоговый сигнал сравнивается в компараторе не с нулевым порогом, а с напряжением этой «ступеньки». Если аналоговый сигнал больше ступеньки – счёт импульсов и выработка новых порогов продолжаются. Но как только аналоговый сигнал оказывается ниже уровня порога – компаратор переключается, на его выходе устанавливается уровень U⁰, блокирующий дальнейшее прохождение тактовых импульсов через схему И в счетчик. Параллельный код на выходе счетчика соответствует уровню входного аналогового сигнала.

Рис. 11.23

Так как схема является упрощенной, то в ней не показаны некоторые связи, имеющие функциональное значение. Во-первых, код на выходе счетчика непрерывно меняется в процессе счета импульсов. Потребителя интересует только конечный результат и, чтобы сохранить его, в схему вносят регистр. Перезапись двоичного кода из счетчика в регистр должна произойти не ранее обнуления регистра, но после окончания счета импульсов. После перезаписи надо обнулить и счетчик, чтобы восстановить первоначальный нулевой порог и начать процедуру аналого-цифрового преобразования повторно. Таким образом, требуется сформировать три задержанных друг относительно друга импульса. Первый из них (импульс обнуления регистра) можно сихронизировать с моментом переключения компаратора (например, формировать короткий импульс из перепада уровней на выходе компаратора с помощью пассивной дифференцирующей цепи). При «доводке» схемы АЦП до реально работающей следует предусмотреть также придание импульсам требуемой полярности (с помощью инверторов), а в каких-то случаях – прямоугольной формы.

Последовательный АЦП выгодно отличается от параллельного отсутствием огромного количества однотипных блоков. Однако работает он медленнее, чем параллельный АЦП. Самый главный недостаток – переменное быстродействие в зависимости от уровня преобразуемого аналогового сигнала: чем этот уровень больше, тем дольше надо считать тактовые импульсы до переключения компаратора.

12. УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА D

Существуют различные способы построения усилителей сигналов; самым простым является усилитель, при прохождении через который сигнал не претерпевает изменений по форме и лишь увеличивается по амплитуде и, возможно, меняет свою фазу. Такой усилитель называют усилителем класса А. В усилителях класса В отдельно усиливаются положительные и отрицательные полуволны сигнала, после чего происходит их сложение. Усилитель класса С усиливает только отсеченные от гармонического сигнала верхнюю и нижнюю части в пределах нескольких десятков градусов, в результате чего после суммирования требуется восстановить исходную форму сигнала, что и осуществляется с помощью колебательного контура, настроенного на частоту сигнала. В усилителе класса D в процессе усиления сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных видеоимпульсов, увеличиваются их амплитуда и мощность и затем исходная форма сигнала восстанавливается с помощью фильтра низкой частоты. Применение более сложных усилителей оправдано свойственным для них высоким КПД: так, усилитель класса D имеет КПД порядка 90 – 95 %. Усилитель класса D может усиливать как постоянные, так и переменные сигналы. В состав усилителя входят мультивибратор, вырабатывающий двухполярный меандр; интегратор на операционном усилителе, преобразующий прямоугольные импульсы в равнобедренные треугольные; двухвходовый компаратор, обеспечивающий сравнение входного сигнала и треугольных импульсов; двухтактный усилитель для усиления импульсов, образующихся на выходе компаратора, и фильтр низкой частоты, восстанавливающий исходную форму сигнала.

Функциональная схема усилителя приведена на рис. 12.1.

Рис.12.2

Сигнал на выходе компаратора называют сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигналом), так как длительность («ширина») импульсов зависит от мгновенного значения усиливаемого сигнала. Если мгновенное значение усиливаемого сигнала слишком велико или слишком мало и превосходит амплитуду треугольных импульсов, поступающих с выхода интегратора, то на выходе компаратора импульсы исчезают и ШИМ-сигнал превращается в постоянное напряжение. Получение ШИМ-сигнала поясняет график рис. 12.2, а зависимость длительности («ширины») положительных и отрицательных импульсов на выходе компаратора – рис. 12.3.

Рис.12.3

Выбор периода треугольных импульсов Т определяется максимальной частотой усиливаемого сигнала f_max: для качественного воспроизведения сигнала необходимо обеспечить соблюдение условия Т < 0,1/ f_max.

ШИМ-сигнал имеет богатый гармониками спектр, включающий низкочастотные гармоники, определяемые усиливаемым сигналом, более высокочастотные гармоники спектра треугольных импульсов, комбинационные составляющие. Восстановление исходного сигнала после его трансформации в процессе усиления заключается в устранении из спектра лишних гармоник с помощью низкочастотного фильтра.

 

 

Список рекомендуемой литературы

Бескид П. П., Погодин А. А., Филимонов Ю. Л. Электроника. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1998.

Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсные и цифровые устройства. М.: Высш. шк., 2002.

Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. СПб.: изд-во «Лань», 2001.