Аналого цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. ГОСТ 30605-устанавливает следующие основные определения относящиеся к АЦП:

преобразователи измерительные напряжения и тока цифровые: Конструктивно и функционально законченные устройства, обладающие нормированными характеристиками и предназначенные для реализации заданной функциональной зависимости между размерами информативных параметров в виде электрических непрерывных сигналов постоянного напряжения или постоянного тока в стандартизованный электрический цифровой кодированный выходной сигнал для дальнейшего использования в микропроцессорных шинах или стандартных интерфейсах.

количество разрядов кода: Количество двоичных символов, которыми отображается цифровой кодированный выходной сигнал (выходной код);

значащий разряд: Разряд выходного кода, содержащий информацию об измеряемой величине;

время преобразования: Интервал времени от момента изменения сигнала на входе АЦП до момента появления на выходе соответствующего устойчивого кода;

максимальная частота преобразования: Наибольшая частота дискретизации, при которой параметры преобразования АЦП соответствуют заданным значениям;

диапазон входных сигналов: Интервал значений входных сигналов, в пределах которого пронормированы погрешности АЦП;

ступень квантования: Разность между двумя соседними значениями квантованной величины;

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}- цифровой сигнал.

Параллельные АЦП

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 3 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

Рис.5.15. Схема параллельного АЦП

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.

Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от 5/2h, до 7/2h, где h=U_оп/8 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором, диаграмма состояний которого приведена в табл.1.

Таблица 1

К выходу приоритетного шифратора подключается параллельный регистр на D триггарах.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2^N-1 компараторов и 2^N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.