14.3.3. Параллельный ацп

Простейший АЦП – компаратор – сравнивает входной сигнал с одним заданным значением. Такой АЦП является одноразрядным. Чтобы получить многоразрядный АЦП, нужно применить несколько компараторов и несколько заданных уровней, с которыми одновременно должен сравниваться входной сигнал. Число компараторов определяется числом разрядов выходного кода N = 2ⁿ – 1, где n – число разрядов. На рис. 14.11 показана реализация параллельного метода аналого-цифрового преобразования для трехразрядного числа. Структура параллельного АЦП состоит из 7 компараторов, преобразователя кода (шифратора), регистра и резисторной матрицы (РМ). Резисторная матрица создает из опорного напряжения U_оп 7 значений опорных напряжений, с которыми сравнивается преобразуемое напряжение U_вх. Общее сопротивление резисторной матрицы равно 7R. Поэтому на каждом из резисторов R создается падение напряжения, равное U_оп/7, на резисторах R/2 – U_оп/14. Значения опорных напряжений в относительных единицах приведены на рис. 14.5, а. Входное напряжение поступает на все компараторы одновременно, на другие входы компараторов подаются опорные напряжения.

Рис. 14.11. Схема трехразрядного параллельного АЦП

Если входное напряжение меньше половины ступени квантования h (U_вх < U_оп/14 = 0,5 h), то на выходах всех компараторов логический нуль. Если 0,5 h < U_вх <1,5 h, то компаратор 1 будет находиться в состоянии логической единицы, а остальные – в нулевом состоянии. На выходе АЦП в младшем разряде появится логическая единица. При U_вх > 1,5 h в единичном состоянии будут компараторы 1 и 2, и т. д. Состояния АЦП при различных уровнях входного сигнала (в условных единицах) представлены в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Входное напряжение	Состояние компараторов	Выходной двоичный код	Код Грея
Uвх	К7 К6 К5 К4 К3 К2 К1	а2 а1 а0	а2 а1 а0
0 1 2 3 4 5 6 7	0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1	0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0

Из таблицы состояний следует что, при повышении U_вх от 0 до максимума компараторы устанавливаются в состояние 1 по очереди – от младшего к старшему. Если считывать показания АЦП непосредственно с выходов преобразователя, то при использовании двоичного кода возможно появление ошибок. Рассмотрим, например, переход от трех к четырем, или в двоичном коде от 011₂ к 100₂. Если старший разряд вследствие меньшего времени задержки в компараторе и шифраторе изменит свое состояние раньше двух других разрядов, то временно на выходе возникнет число 111₂, т. е. семь. Так как результат аналого-цифрового преобразования, как правило, записывается в запоминающее устройство, возможна запись неверной информации. Решают эту проблему различными способами. Между компараторами и шифратором можно установить специальное логическое устройство, которое определяет высший номер сработавшего компаратора и вырабатывает соответствующий ему код. Приоритетное кодирование позволяет избежать ошибки, возможной из-за этого обстоятельства, поскольку единицы в младших разрядах не принимаются во внимание шифратором. Другой путь состоит в использовании кода Грея, что показано в табл. 14.1.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельные АЦП обладают самым высоким быстродействием среди других типов АЦП, определяемым быстродействием компараторов и задержками в кодирующем устройстве. Недостатком их является необходимость в большом количестве компараторов. Так, для восьмиразрядного АЦП требуется 255 компараторов. Следствием этого является высокая стоимость и значительная потребляемая мощность. К микросхемам этого типа относятся выпускаемые нашей промышленностью шестиразрядные АЦП К1107ПВ1 (Р_пот = 1 вт), К1107ПВ3 (Р_пот = 0,5 вт), восьмиразрядные К1107ПВ2 и К1107ПВ4 (Р_пот = 3,5 вт) с частотой преобразования до 100 МГц.

Для снижения аппаратурных затрат параллельных преобразователей применяют параллельно-последовательный метод построения АЦП. Параллельно-последовательные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это меньшей ценой. К последовательно-параллельным АЦП относятся многоступенчатые, конвейерные, многотактные АЦП [1, 3, 4].