Аналогово-цифрові перетворювачі

Аналогово-цифровий перетворювач – це пристрій, за допомогою якого вхідна аналогова величина А перетворюється в еквівалентний код (рис. 69), частіше всього в двійковій N-розрядній, тобто: , де ,, - розрядні коефіцієнти, що приймають значення “1” або “0”.

Найбільш розповсюджені АЦП, що перетворюють постійну напругу в цифровий код (ПНК), так як інші види аналогових сигналів легко перетворюються в напругу постійного струму.

ПНК в залежності від виду перетворення поділяють на чотири групи: 1) амплітудно-імпульсної модуляції (АІМ), 2) часо-імпульсної модуляції (ЧІМ), 3) частотно-імпульсної модуляції (ЧІМ), 4) кодо- імпульсної модуляції (КІМ).

Рис. 69. Вхідні та вихідні сигнали АЦП

Амплітудно – імпульсна модуляція здійснюється за допомогою порогових пристроїв. При ЧІМ напруга U_x перетворюється в пропорційний тимчасовий інтервал t_x, а при ЧІМ – в пропорційну частоту слідування імпульсів f_x. При КІМ напруга U_x зрівнюється з компенсуючою напругою U₀, яка змінюється за визначеним алгоритмом так, щоб в кінці зрівноваження забезпечити умову рівноваги .

В ПНК і АІМ (ПНК безпосереднього перетворення, паралельні ПНК) (рис. 70) для досягнення роздільної здатності N розрядів необхідно мати (2^N-1) компараторів і рівнів опорної напруги U₀. Перевагою ПНК з АІМ є найбільша швидкодія, обумовлена тим, що перетворення проходить за один такт, недоліком схемна важкість, необхідно велика кількість компараторів, що визначають точність перетворення, і прецизійний подільник опорної напруги. При різнополярній вхідній напрузі кількість прецизійних елементів подвоюється.

Рис. 70. ПНК та АІМ

Рис. 71. Рис. 72.

ПНК з ВІМ можна розділити на дві основні підгрупи: з генератором пилкоподібної напруги, з інтегруванням перетворюючої та образцового напруги. Аналогова величина (вхідна) спочатку перетворюється в інтервал часу, який заповнюється імпульсами стабільної опорної частоти. Кількість імпульсів за отриманий інтервал пропорційний аналоговій вимірювальній величині. На рис. 71 наведена структурна схема ПНК з генератором пилкоподібної напруги і діаграми його роботи.

В результаті перетворення інтервал на лічильник надходить імпульсів образцовой частоти f₀. Кількість імпульсів дорівнює , де - швидкість зростання пилкоподібної напруги. Такі ПНК мають середньою точністю і швидкодію.

На рис. 72 приведені структурна схема та діаграми роботи ПНК з інтегрированням перетворюючої й зразкової напруги. В результаті перетворення U_x число імпульсів образцовой частоти f₀, зафіксоване в лічильнику, пропорційне напрузі

, так як при інтегруванні напруги і виконується рівність

Як можна бачити із діаграми, в час зразкового інтервалу відбувається інтегрування напруги , після закінчення відбувається інтегрування зразкової напруги оберненої полярності . Інтервал формується в ПК із перепаду (завершення) імпульсу і вихідного сигналу Уср.

При формуванні , кратного (рівного) періоду мережі живлення і наступної синхронізації, в даному типі ПНК відбувається подавлення перешкод частоти мережі, що являється перевагою перетворювача. З метою покращення подавления перешкод мережі та її гармонік в даний час використовується вагове інтегрування, при якому перший інтервал розбивається на ряд інтервалів з різними сталими інтегруваннями. Інтегруючі ПНК поряд з високою точністю мають високу завадозахищеність, але їх швидкодія невелика.

ПНК з КІМ в залежності від алгоритму зрівноваження поділяються на розгортаючі (рівномірно-ступінчасті зміни , за жорсткою програмою) і на слідкуючі (рівномірно- і нерівномірно ступінчасті зміни в відповідності з законом зміни ), в яких для отримання відліку необхідно пов’язати поточне значення з кодом .

На рис. 73,а,б, наведена структурна схема ПНК розгортуючого перетворювача, в якій напруга порівнюється із зразковою напругою , що змінюється в часі дискретно ступенями . В момент, коли , на лічильник надійшло N_x імпульсів число рівне .

В ПНК порозрядного зрівноваження (рис. 73, в, г), перетворююча напруга також порівнюється із зразковою напругою , яка для кожного тактового імпульсу має строго визначене значення (маса). Для двікового коду воно рівне

, де - розрядні коефіцієнти, що приймають значення “0” або “1”, - маса опорної напруги, що формується джерелом образцового напруги , який входить в склад ПНК.

В кожному такті відбувається порівняння з . Якщо >(перекомпенсація), пристрій порівняння дає сигнал для від’єднання даного розряду, тобто , коли< (недокомпенсація), пристрій порівняння не спрацьовує, і даний розряд залишається увікненим . В результаті обробки всіх розрядів (цикл вимірювання) відбувається компенсація вимірюваної напруги опорною .

Рис. 73.

,

де маса і-го розряду опорної напруги, - розрядний коефіцієнт, що приймає значення “0” або “1”.

Кодовий еквівалент результату перетворення рівний

,

де - коефіцієнти маси і-го розряду у відповідності з масою опорної напруги, - кількість імпульсів, що відповідають числу розрядів перетворення.

В ПНК слідкуючого перетворення (рис. 73, д, е) зразкова напруга змінюється в часі ступінчасто; до моменту закон зміни аналогічний ПНК розгортаючого перетворення, далі відбувається слідкування за зміною за допомогою реверсивного лічильника, що приводить до необхідності введення додаткового регістра для зняття результату в момент надходження імпульсу зчитування. Перетворювачі з ПНК мають велику швидкість та точність.

ПНК знайшли широке використання в цифрових вимірювальних вольтметрах постійного струму (ЦВ), які поряд з ПНК містять вхідний пристрій (ПВХ) та пристрій індикації (ПІ) (рис. 74).

Рис. 74. Рис. 75.

Вхідний пристрій призначений для приведення рівня до рівня ПНК. Він є прецизійним подільником напруги з буферним підсилювачем або підсилювачем сигналів низького рівня. ПЗ призначений для видачі результатів вимірювання на цифровому табло для візуальної оцінки.

При зміні напруги змінного струму, опору і струму, механічних величин (переміщення, тиск та інше) як правило використовують первинні перетворювачі (ПП), призначені для приведення вимірювальної величини до нормованих значень напруги постійного струму.

***

Як видно з розглянутих схем перетворювачів, що найшли практичне застосування, в їх склад входять різноманітні аналогові та цифрові вузли. На даний час промисловість випускає для побудови АЦП набори мікросхем. Із наборів можна будувати різноманітні по точності та швидкодії перетворювачі. Для побудови аналогових частин перетворювача можна використовувати мікросхеми серій 240, 252, а також 228, 265 та інші.

Серія 240 включає крім цифрових мікросхем набір схем, призначених для побудови десятирозрядних АЦП з діапазоном вхідних напруг ± 5В та часом перетворення 100 мкс. В серію входять шість типів аналогових мікросхем: 240СА1, 240 УД1, 240 КН1, 240 КН2, 240КН3, 240ЕН1.

Іншим набором мікросхем, призначених для побудови АЦП (і ЦАП), є серія 252, що складається із семи типів мікросхем: 252СА1, 252УД1, 252 КН1, 252ПА1, 252ПА2, 252ПА3, 252ПН1.

В мікросхемному виконанні випускаються два типи АЦП: послідовного наближення і паралельні. К572ПВ1 – 12 розрядний АЦП послідовного наближення з часом перетворення порядку 170 мкс. АЦП К572ПВ2 має 3,5 десяткових розрядів і вихід безпосередньо на семисегментні цифрові індикатори. К1108ПВ1 – 10 – розрядний АЦП послідовного наближення з часом перетворення порядку 0,9 мкс. Спеціально для роботи МП призначений 10 розрядний АЦП К1113ПВ1 послідовного наближення, його виходи можуть під’єднуватись до шин ЕОМ і тому можуть від’єднуватись в середині мікросхеми потенціалом “1” на вході гасіння.

АЦП паралельного типу випускаються в серіях К1107: К1107ВП – 6- розрядний АЦП з часом перетворення порядку 0,1 мкс, К1107ПВ2 – 8 розрядний АЦП з часом перетворення порядку 0,2 мкс. К1107ПВ3 – най швидкодіючий 6- розрядний АЦП, вихід якого передбачений на ЕСЛ – схемах, час перетворення порядку 20 нс.

Основні напрямки розвитку АЦП – підвищення швидкодії основних вузлів, зокрема, компараторів до 10-15 нс, підвищення їх точності до 0,05 – 0,005%, збільшення розрядності перетворювачів до 12 – 16 , використання мікропроцесорів в перетворювачах.

Одночасна реалізація високих вимог за точностю й швидкодії ускладнена, тому мікроелементи АЦП, що створюються (як і ЦАП) можна розділити на три основні групи – загального використання, швидкодіючі і прецизійні.

***