25.3 Классификация ацп

Исходя из материала, приведённого в данном разделе, АЦП можно классифицировать по рисунку 25.11.

Об интегрирующих АЦП можно сказать, что им, вследствие операции интегрирования, присуще свойство усреднения: заряд, получаемый конденсатором при протекании среднего тока, поступающего на аналоговый вход, сравнивается с зарядом, обеспечиваемый известным образцовым током.

Двухтактные времяимпульсные АЦП и частотно-импульсные АЦП, являясь интегрирующими, вследствие своей структуры и алгоритма работы не реагируют на помеху, попадающую на вход. Для этого при проектировании соблюдаются условия кратности между длительностью прямого интегрирования (в частотно-импульсном – интервала преобразования) и периодом сигнала помехи.

Рисунок 25.11 – Классификация АЦП

Токовые кодоимпульсные АЦП обладают более высоким быстродействием за счёт использования для обработки параметра «ток». Электронной промышленностью в интегральном исполнении созданы генераторы тока, меняющие величину задающего тока за время 10–20 нс и менее.

Параллельно-последовательные АЦП являются компромиссным вариантом: при приемлемой сложности схемы, они обладают большой разрядностью (10–16 разрядов) и не очень большой потерей быстродействия относительно параллельных преобразователей. В них весь преобразователь разбивается на группы: внутри группы идёт параллельное преобразование, а группа за группой работают последовательно.

Преобразователи угловых и линейных перемещений в код с «кодовой маской» реализуют максимальное быстродействие, являясь, по сути, преобразователями параллельного типа.

25.4 Аналого-цифровые преобразователи в интегральном исполнении

Появление однобайтных микропроцессоров увеличило количество способов построения АЦП последовательного приближения, в основном, восьмиразрядных. Таковыми, в частности, являются АЦП типов К572ПВ3 и К572ПВ4 [3].

Схема включения АЦП К572ПВ3 показана на рисунке 25.12. Время преобразования этого АЦП составляет 7,5 мкс, ток потребления от одного источника питания 5 В равен всего 5 мА.

Рисунок 25.12 – Схема включения АЦП К572ПВ3

АЦП имеет два одинаковых входа AI1 и AI2, соединенных внутренними резисторами с одним и тем же входом компаратора. На этот же вход компаратора подается выходной ток ЦАП, управляемого регистром последовательных приближений (РПП). За счёт этого АЦП обеспечивает преобразование в код суммы напряжений, подаваемых на входы AI1 и AI2. При практическом использовании этого АЦП на вход AI1 подают входное напряжение U_ВХ, а на вход AI2 – напряжение регулировки смещения нуля. Управление работой АЦП осуществляется с помощью сигналов, подаваемых на входы CS (выбор кристалла) и RD (чтение).

Если CS = 0, то переход из «0» в «1» на входе RD обусловит сброс и запуск АЦП. Если CS = 1, то переход из «0» в «1» на входе RD вызовет только сброс, а запуск произойдет по спаду из «1» в «0» на входе CS. Когда осуществляется процесс преобразования, то выход BU = 0. Выходные данные существуют при сочетании сигналов CS = 0, RD = 0 и BU = 1. Если такого сочетания нет, то выход регистра данных (РД) находится в высокоимпедансном состоянии.

Восьмивходовой восьмиразрядный АЦП К572ПВ4 (рисунок 25.13) представляет собой многоканальную систему сбора данных. С помощью аналоговых ключей встроенного коммутатора восемь входных аналоговых сигналов поочередно подаются на вход АЦП последовательных приближений. Результаты преобразования записываются во встроенное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) объемом 8 однобайтных слов. Каждому из входных каналов (AI0-AI7) соответствует своя область памяти, так что после одного цикла работы коммутатора в ОЗУ хранится информация по всем восьми каналам.

Рисунок 25.13 – БИС АЦП К572ПВ4

Вывод AI может использоваться как некоммутируемый вход АЦП при его применении в одноканальном режиме. В этом случае в ОЗУ будут запоминаться коды, соответствующие восьми последовательным значениям входного сигнала. Считывание информации из ОЗУ может осуществляться в произвольном порядке. Номер канала ОЗУ, информация из которого поступает на выход N, определяется сигналами, подаваемыми на адресные входы A0, A1, A2, – при наличии сигнала логической «1» на входе ALE.

В момент перехода сигнала на входе ALE из «1» в «0» фиксируется заданный в этот момент на адресных входах номер подсоединенного к выходу канала ОЗУ и далее этот номер сохраняется в течение всего времени, пока ALE = 0.

Диапазон преобразуемого сигнала составляет 2,5 В и может быть смещен как в положительную, так и отрицательную область значений с помощью двух опорных напряжений (U₀₁, U₀₂). В компараторе АЦП сравниваются напряжения, а не токи, поэтому данный АЦП имеет большое входное сопротивление. Привязка результата преобразования по каждому из каналов к определенному моменту времени производится по сигналу состояний, формируемому на выводе SA.

Интегрирующие АЦП. Наиболее точные АЦП строятся с использованием время- и частотно-импульсного преобразования интегрирующего типа. Хотя интегрирующие АЦП уступают по быстродействию преобразователям последовательного приближения, вместе с тем они имеют и явные преимущества: минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.

Интегрирующий АЦП, как правило, состоит из двух преобразователей: преобразователя напряжения или тока в частоту или длительность импульсов, и преобразователя частоты или длительности в код.

Задача построения точного цифрового измерителя частоты или длительности импульсов решается просто: производят подсчет импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени или подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. Поэтому основные характеристики интегрирующих АЦП определяются свойствами применяемых преобразователей напряжение–частота (ПНЧ) или преобразователей напряжение–время (ПНВ). Наиболее распространенными типами подобных преобразователей являются [3]:

а) ПНВ двухтактного интегрирования;

б) ПНЧ с заданной длительностью одного такта.

АЦП двухтактного интегрирования. Упрощенная функциональная схема АЦП приведена на рисунке 25.14. АЦП содержит аналоговый ключ (АК), интегратор на ОУ, компаратор К, опорный генератор импульсов ОГ, логический элемент И, счетчик импульсов СИ, источник опорного напряжения (ИОН), устройство управления (УУ).

Рисунок 25.14 – Функциональная схема двухтактного АЦП

Принцип действия АЦП двухтактного интегрирования заключается в следующем. В течение первого такта, длительность Т_О которого строго задана, происходит интегрирование входного измеряемого напряжения. В конце первого такта напряжение на выходе интегратора достигает значения:

U_И1 = U_ВХТ_О/,

где  = RC – постоянная времени интегратора.

Затем начинается второй такт и АК под воздействием сигнала управления переключается на интегрирование опорного напряжения U_О, имеющего противоположную к U_ВХ полярность. Напряжение на выходе интегратора уменьшается от значения U_И1 до нуля за время:

Т_Х = ^.U_И1/U_О.

Отсюда имеем уравнение преобразования двухтактного АЦП:

Т_Х = U_ВХТ_О/U_О.

Цифровая часть построена таким образом, что задание интервала Т_О и измерение интервала Т_Х осуществляется от одного и того же ОГ:

Т_О = N_О/f_О; Т_Х = N_Х/f_О.

Окончательно для выходного кода АЦП двухтактного интегрирования имеем:

N_Х = N_ОU_ВХ/U_О.

Анализ полученного уравнения преобразования показывает, что точность преобразования определяется, в первую очередь, точностью и стабильностью ИОН и не зависит от параметров интегратора. Важнейшим практически полезным свойством АЦП двухтактного интегрирования является его высокая помехоустойчивость. Для этого длительность первого такта Т_О выбирается равной (или кратной) периоду сигнала помехи, например напряжения сети 50 Гц, т. е. Т_О = 20 мс.

Примером подобного АЦП служит интегральная схема КР572ПВ2 (ПВ5), в котором введена дополнительная функция автоматической коррекции напряжения смещения нуля ОУ. Цифровая часть АЦП организована так, чтобы к ИС можно было бы непосредственно подключать десятичные четырехразрядные семисегментные светодиодные (КР572ПВ2) или жидкокристаллические (КР572ПВ5) индикаторы.

Линейность функции преобразования в значительной степени зависит от качества конденсатора интегратора. При использовании конденсаторов с полипропиленовым диэлектриком (конденсаторы типа К73П-7, К73-16) можно реализовать нелинейность на уровне 0,001 %. На рисунке 25.15 приведен один из вариантов подключения входных цепей к АЦП КР572ПВ2 (ПВ5).

Рисунок 25.15 – Схема включения АЦП КР572ПВ2

Здесь входной сигнал предварительно фильтруется от высокочастотных помех c помощью ФНЧ R₁C₁. Опорное напряжение задается параметрическим стабилизатором на стабилитроне V и резисторе R₁. С помощью R₂ производится точная установка опорного напряжения на уровне 0,2 В или 2 В. В стандартном включении АЦП КР572ПВ2 (ПВ5) имеет следующие параметры: время преобразования 70 мс; нелинейность  0,03 %, напряжение питания  5 В, потребляемая мощность 10 мВт.

ПНЧ с заданной длительностью такта. Упрощенная функциональная схема этого ПНЧ (КР1108ПП1) показана на рисунке 25.16.

Рисунок 25.16 – Структура ПНЧ КР1108ПП1

ПНЧ содержит интегратор А на операционном усилителе, два компаратора К₁ и К₂, RS- триггер, два источника стабильных токов I₁ и I₂, два аналоговых переключателя S₁ и S₂, источник опорного напряжения U₀, логическую ячейку И и выходной транзистор V. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С₁ и С₂ и двумя резисторами R₁, R₂. Компараторы К₁ и К₂, RS-триггер, ключ S₂ , конденсатор С₂ и источник тока I₂ образуют одновибратор (генератор одиночных импульсов).

Под действием положительного входного напряжения, напряжение на выходе интегратора А уменьшается. RS-триггер при этом находится в состоянии «0», ключи находятся в состоянии, показанном на рисунке 25.16. Когда напряжение на выходе интегратора уменьшится до нуля, срабатывает компаратор К₁ и переводит триггер в «1», запуская тем самым одновибратор. При этом ключ S₂ размыкается и под влиянием тока I₂ начинает уменьшаться напряжение на конденсаторе С₂. Когда это напряжение достигнет уровня опорного напряжения U_О, сработает компаратор К₂ и RS-триггер снова возвращается в состояние «0».

Пока триггер находился в «1», ток I₁ поступал на вход интегратора, вследствие чего напряжение на выходе интегратора снова возросло.

Уравнение преобразования ПНЧ имеет вид:

f_ВЫХ = U_ВХ^.I₂/(U_О^.I₁^. R₁^. C₂).

Номинально токи I₁ и I₂ равны, поэтому f_ВЫХ = U_ВХ/(U_О^. R₁^. C₂).

Опорное напряжение U_О = –7 В и имеет температурный коэффициент 75^.10^–6 1/^oC. Для компенсации этой погрешности целесообразно подобрать элементы R₁, C₂ так, чтобы температурный коэффициент произведения составлял минус 75^.10^–6 1/^oC.

Рекомендуемые номиналы внешних элементов: R₁ = 10 кОм; C₁ = 4 нФ; C₂ = 1,4 нФ. В этом случае при U_ВХ = 0–2 В, f_ВЫХ = 0–20 кГц, а погрешность линейности не превышает 0,01 %. ПНЧ содержит выходной каскад с открытым коллектором, что позволяет согласовывать уровень выходного сигнала с уровнями последующих цифровых цепей.

Ячейка И позволяет закрывать выходной транзистор путем подачи на вывод 6 микросхемы напряжения логической «1» (2,5 В и более). Благодаря этому оказывается возможным подключать выходы нескольких ПНЧ к одной линии путем объединения коллекторов выходных транзисторов.

Микросхему КР1108ПП1 можно использовать в качестве преобразователя «частота – напряжение» (ПЧН). В этом случае импульсы входной частоты подаются на запуск входящего в микросхему одновибратора, а выходное напряжение получится пропорциональным среднему току, поступающему от источника тока I₁ на вход ОУ.

Справочные данные на отечественные АЦП иллюстрируются таблицей 25.1.

Таблица 25.1 – Характеристики отечественных АЦП

Тип (uВХ)	Разряд-ность; fТАКТ	Напряж. смещ. нуля на вх.	tПРЕОБ	UОПОР; UВЫХ	Диффер. нелинейность	Нелинейность	Абсолют. погре-ть преобр-я в конечн. точке шкалы	UПИТ (диапазон)
К572ПВ1А [(0,5–2)UО]	12		110 мкс
К572ПВ2А (1,999UО)	3,5			0,1–1 В			1 ЕМР	5 В; минус 5 В)
К572ПВ3	8; 500 кГц	30 мВ	7,5 мкс	–(9,8–10,5); ТТЛ	0,75 ЕМР	0,5 ЕМР	3 ЕМР	5 В (4,75–5,25 В)
К572ПВ4 (0–2,5 В или минус 2,5–0 В)	8; (ТТЛ)		0,6 мкс	0–2,5 В или минус 2,5–0 В	0,5 ЕМР	0,5 ЕМР	1 ЕМР	5 В
КР572ПВ5 (1,999UО)				0,1–1 В				9 В, или 4,5 и минус 4,5 В
К1107ПВ1 (минус 6–0,2 В)	6 (ТТЛ)	до минус 75 мВ	100 нс	минус (1,9–2,1 В); IО = 43 мА;	0,781 %	0,781 %	0,1 В	до 6,6 В; до минус 6,6 В
К1107ПВ2 (минус 2–0 В)	8 (ТТЛ)	0,1 В	100 нс	минус (1,9–2,1 В); IОП=35 мА	1 ЕМР	0,5 ЕМР	0,1 В	4,75–5,25 В; минус (6,18–5,82 В)
К1107ПВ3А (минус 2,5–2,5 В)	6 (ЭСЛ)		10 нс	2,5 В; минус 2,5 В; IО = –6 мА;		0,25 ЕМР		5 В; минус 5,2 В;
К1107ПВ4 (минус 2,5–2,5 В)	8 (ЭСЛ)		10 нс	2,5 В; минус 2,5 В;		1 ЕМР		5 В; минус 5,2 В;
К1107ПВ5 (минус 2–2 В)	6 (ЭСЛ)		10 нс	2 В; минус 2 В; IО = 60 мА;		0,25 ЕМР		5 В; минус 5,2 В;
К1108ПВ1А (0–3 В)	10 (ТТЛ)	10 мВ	0,9 мкс	2,5 В, внутр.; IО = 7 мА, если внеш.;	0,75 ЕМР	1 ЕМР	4 ЕМР	5 В; минус 5,2 В;
К1108ПВ2 (0–5 В или минус 2.5–2,5 В)	12 (ТТЛ)	10 мВ	до 2 мкс	2,5 В, внутр.;	1 ЕМР	2 ЕМР	10 ЕМР
КМ1126ПВ1, 2-хканальн. (до 4,5 В)	8 (ТТЛ)			5 В; IО = 20 мА;				5 В
К1113ПВ1А (0–10 В или минус 5–5 В)	10	30 мВ	30 мкс		0,1 %	0,1 %	40 ЕМР	5 В; минус 15 В;

Справочные данные на некоторые зарубежные АЦП приведены таблице 25.2 [3].

Таблица 25.2 – Характеристики зарубежных АЦП

Тип	ADC 80	AD 7672	AD 9003	TLC 1205В	ADC 71	TSC 850	CSZ 5316	AD 1170	AD 1175K
Параметр
Разряд-ть	12	12	12	13	16	15	16	18	22
UВХ, В	0–5; 0–10;  5;  10	0–5; 0–10;  5;  10	0–5	 5	0–5; 0–10;  5	0–2U0	 2,75	 5	 5
U0, B	внут. 6,3	внеш. минус 5	внут. 5	внеш. 10	внут. 6,3	внеш. 1,6; 0,025	внут. 2,75	внут. 5	внут. 5
Диф. вход	-	-	-	+	-	+	-	-	+
Время преобр., мкс	25	3	1	10	50	25000	50	1000	50000
Подстройка	+	-	-	-	+	+	-	-	-
Нелин-ть, квантов	2	2	1	1	0,5	0,2	0,1	0,2	0,5
Дифференц. нелин-ть, квантов	2	1	1	0,5	0,5	0,2	0,1	0,2	0,5

Окончание таблицы 25.2

Uп, В	5;  12	5;- 12	5;  12	 5	 5	 5	 5	5;  15	5;  15
Iп, мА	11; 5; минус 21	7; минус 12	320;  60	 3	70;  20	 2	-	-	-
Тактовый генератор	внут	внеш. RC	внут.	внеш.	внут.	внеш.	внеш.	кварц	внут.
Выход	посл.	пар.	пар.	пар.	посл.	пар.	посл.	пар.	пар.
Произво-дитель	BB	AD	AD	TI	AD	TS	CR	AD	AD

В таблице 25.2 для обозначения фирм–изготовителей микросхем приняты следующие обозначения: AD – Analog Devices; BB – Burr-Brown; CR – Crystal Semiconductor; NS – National Semiconductor; TI – Texas Instruments; TS – Teledyne Semiconductor.

1 Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренко. – Мн.: Беларусь, 1994. – 591 с.

2 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузоы. – М.: Высш. шк., 1991 – 622 с.

3 Кликушин Ю.Н., Михайлов А.В. Электроника в приборостроении. Тексты лекций. - Омск: ОмГТУ, 2000.

4 Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.

5 Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. – Киев: Вища школа, 1986. – 560 с.

6 Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Знакосинтезирующие индикаторы и их применение. – М.: Радио и связь, 1988. – 128 с.

7 Сергеев В.М. Электроника. Ч.1: Элементная база, аналоговые функциональные устройства: Учеб. пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2000. – 128 с.

8 Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 304 с.

9 ИС для вторичных источников питания [Электронный ресурс]: содержатся основные сведения об интегральн. схемах стабилизаторов и конвертеров напряжения: ноябрь 2004. – Режим доступа: http://www.radiotexnika.ru/spravochnik/adv/advh48.php. – Загл. с экрана.

10 DC-DC конвертер 1156ЕУ5 [Электронный ресурс]: содержатся сведения о характеристиках и схемах включения в составе стабилизаторов и конвертеров напряжения: октябрь 2001: научно-технический центр схемотехники и интегральных технологий: Россия, Брянск. – Режим доступа: http://www.promelec.ru/pdf/1156eu5.pdf. – Загл. с экрана.

11 Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учеб. для вузов. – М.: Высш. школа, 1982. – 496 с.

12 Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982. – 512 с.

13 Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 512 с.

14 Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 439 с.

15 Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 1985. – 256 с.

16 Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991. – 376 с.

17 Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы / Под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1985. – 432 с.

18 Игловский И.Г., Владимиров Г.В. Справочник по слаботочным электрическим реле. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 560 с.

19 Ханзел Г.Е. Справочник по расчёту фильтров: США, 1969 / Пер. под ред. А.Е. Знаменского. – М.: Сов. радио, 1974. – 288 с.

20 Вольтметр импульсного напряжения стробоскопический вычислительный В4-24 // Проспект по применению. – ЦООНТИ «ЭКОС». – 1990. – 21 с.

21 Суэтинов В.И., Тимошенков В.П., Гайдис Р.А. Интегральная схема стробсмесителя на арсениде галлия // Техн. ср-в связи. Сер. РИТ. – 1987. – Вып. 4. – С. 80–87.

22 Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – Т. 2. – 590 с.

23 Чередов А.И. Измерительные преобразователи параметров ёмкостных датчиков: Учебн. пособие. – Омск, ОмПИ, 1988. – 80 с.

24 Кликушин Ю.Н., Кривой Г.С., Ярошевский М.Б. Расчёт измерительных цепей на операционных усилителях. – Учеб. пособие. – Омск: ОмПИ, 1981. – 79 с.

25 Сифоров В.И. Радиоприёмные устройства. – М.: Сов. радио, 1974. – 560 с.

26 Будинский Я. Логические цепи в цифровой технике / Под ред. Б,А, Калабекова. – М.: Связь, 1977. – 392 с.

27 Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.

28