выход

∞РПП fT

ЦАП

Рисунок 6.12 – Функциональная схема преобразования с регистром последовательного приближения

Достоинство: повышенное быстродействие, так как нет пошаговой развертки.

Недостатки:

–код отсчитывается в точках, число которых должно быть не менее, чем на порядок выше в сравнении с наивысшей частотой в спектре преобразуемого сигнала;

–в промежутках между точками отсчета информация отсутствует;

–необходимо УВХ;

–высший практический предел преобразования – 12 разрядов.

Дерево, иллюстрирующее работу АЦП с регистром последовательных приближений изображено на рисунке 6.13.

Рисунок 6.13 – Дерево аналого-цифрового преобразования

6.2.4АЦП с двойным интегрированием

Достоинство: высокая точность преобразований (до 20 разрядов). Недостатки:

–цикличность, но отсчет производится не в точке, а на отрезке аналоговой характеристики преобразования (это лучше в сравнении с разделом 6.2.3); между отрезками – “черный ящик”;

219

– невысокое быстродействие, связанное с тем, что в преобразователе затрачивается время на заряд конденсатора и разряд, на интервале которого производится преобразование (см. рисунок 6.14).

Рисунок 6.14

Фрагмент принципиальной схемы АЦП с двойным интегрированием изображен на рисунке 6.15.

Uвх	S1	A1	A2	A3
	S2
Uоп	S3			+

S4

Cк

Рисунок 6.15 – АЦП с двойным интегрированием

Весь цикл преобразования делится на четыре подинтервала:

а – балансировка (как у ОУ, так как в состав преобразователя входит обычный интегратор на ОУ). На этом подинтервале S2, S4 замкнуты, S1,S3 – разомкнуты;

б – вход интегратора подключается ключом S1 к преобразуемому сигналу, S2, S3, S4 - разомкнуты;

в – вход интегратора подключается к опорному источнику (высокостабильному, высокофильтрованному) S3 – замкнут, S1, S2,S4 – разомкнуты. На третьем интервале (второе интегрирование по рисунку 6.14) из ГТИ в счетчик, не приведенный на рисунке 6.15, записывается число импульсов, пропорциональное входному аналоговому сигналу;

г – производится подготовка к следующему циклу преобразования. Особенность работы схемы в том, что по горизонтальной оси времени

отсчет производится в импульсах ГТИ. Так как ГТИ может быть нестабильным, то если переводить импульсы во время, оно меняется по горизонтальной оси.

220

Число импульсов, соответствующее интервалу б называется базовым. Обычно его принимают равным 1000. Если, например, вследствие нестабильности, частота ГТИ возросла, то момент 1 (см. рисунок 6.14) переместится влево. Следовательно, временные интервалы первого и второго интегрирования становится меньше. В это более короткое время первого и второго интегрирования пройдет большее число импульсов, результат останется прежним – это физический смысл того, что частота ГТИ не влияет на погрешность преобразования.

На преобразуемый аналоговый сигнал влияют помехи. Для выяснения последствий такого влияния приведем рисунок 6.16.

Рисунок 6.16,а - Интегрирование постоянного сигнала без помехи; б – наложение одного полупериода помехи на постоянный входной сигнал; в – наложение двух полупериодов помехи на постоянный входной сигнал; г-

наложение многочастотной помехи на постоянный входной сигнал

1 Входной сигнал без помехи при интегрировании достигает уровня точки А (см. рисунок 6.16, а).

221

2 Накладываем на предыдущий график один полупериод помехи, например сетевого напряжения 50 Гц (см. рисунок 6.16,б). Видно, что результат интегрирования приходит в точку А', т. е. есть вносится погрешность.

3 На рисунке 6.16,в накладываем два полупериода этого же сетевого напряжения. Результат интегрирования – кривая, но приходит в точку А, (так как площадь интегрирования остается той же, что и на рисунке 6.16,а погрешности нет , несмотря на наличие помехи, поэтому рассчитывают

fТ = nбаз fпом ,

причем среди всех других помех выбирают наибольшую.

На интервале преобразования укладывается два полупериода колебаний помехи.

4 Накладываем высокочастотную помеху, интегрируется тоже не прямая, но более менее приходит в точку А, т. е. помехи фильтруются преобразователем (см. рисунок 6.16,г).

АЦП с двойным интегрированием выпускаются промышленностью в интегральном исполнении, применяются для преобразования относительно низкочастотных сигналов.

6.2.5 АЦП параллельного преобразования

На рисунке 6.17 изображена функциональная схема АЦП параллельного преобразования. Она прежде всего представлена цепью резисторов R1-R4 одинаковой величины. На эту цепь поступает опорное напряжение Uоп, которое распределяется резисторами таким образом, что каждая ступень эквивалентна одному кванту, причем, кванты одинаковы по величине. Преобразуемое напряжение Uпреобр и уровни напряжений с резисторов, образуемые опорным напряжением Uоп, поступают на компараторы К1-К3, с выходов которых снимается параллельный N-разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования, по величине меньших значений в сравнении

с Uпреобр.

Полученный единичный код подается на вход дешифратора, в котором он преобразуется в двоичный с числом разрядов b = lg2 N . В качестве дополнения к схеме рисунка 6.17 может быть регистр, в который записывается результат преобразования.

Этот вид преобразователя работает практически мгновенно, непрерывно, без пропусков, связанных с циклами. Применяют в видеотехнике, быстропротекающих процессах. Количество резисторов соответствует числу квантов преобразования. При увеличении входного напряжения Uпреобр срабатывает соответствующий компаратор начиная с нижнего К3, выдается квантованное прямое преобразование аналогового сигнала в код. Достоинство схемы – высокая скорость преобразования, недостаток – повышенная стоимость. Выпускается промышленностью в интегральном виде.

222

Рисунок 6.17 – АЦП параллельного преобразования

6.2.6 АЦП с сигма-дельта ( ∑ ) модуляцией

АЦП с ∑ модуляцией некритичны к точности выполнения элементов схемотехники Кроме того, применение таких преобразователей резко снижает требование к сопутствующим им аналоговым фильтрам, а необходимость в таких прецизионных элементах, как УВХ (устройство выборки-хранения), отпадает совсем.

Структурная схема ∑ модулятора 1-го порядка изображена на рисунке 6.18.

Рисунок 6.18 – Структурная схема ∑ модулятора

Функциональная схема ∑ модулятора 1-го порядка приведена на рисунке 6.19, на котором операционные усилители показаны в виде треугольников, т.е. в американском стандарте.

223

Рисунок 6.19 – Функциональная схема ∑ модулятора

Пусть на вход модулятора поступает аналоговый сигнал Xn, амплитуда которого изменяется в пределах от –B до +B, а полоса частот ограничена сверху величиной fв. В результате преобразования на выходе модулятора должен сформироваться одноразрядный поток данных, отражающий форму аналогового сигнала.

Если бы преобразование осуществлялось с помощью общего многоразрядного АЦП, быстродействие которого весьма ограничено, дискретизацию пришлось бы производить со скоростью, чуть большей, чем скорость Найквиста Fн=2fв, а для предотвращения модуляционных искажений на выходе устройства пришлось бы разместить сложный аналоговый ФНЧ.

В силу особенностей ∑ -модулятора преобразование с его помощью может осуществляться с частотой в десятки и сотни раз превосходящей Fн, а для предварительной фильтрации вполне достаточно фильтра 2-3 порядка.

Интегратор – это активный аналоговый ФНЧ с высоким усилением в полосе частот входного сигнала и подавлением частотных составляющих, лежащих вне этой полосы. Квантователь – это в первом приближении, компаратор с порогом срабатывания, равным “0”, выход которого может переключаться из состояния “-B” в состояние “+B”, и который подключен ко входу синхронизируемого тактовой частотой (частотой дискретизации) элемента памяти, сохраняющего это состояние в течение тактового интервала. Если предположить, что на выходе этого элемента памяти, который одновременно является и выходом модулятора, должен формироваться цифровой сигнал с уровнями, соответствующими уровням логического “нуля” и “единицы”(АЦП), то таким элементом памяти может служить обычный D-триггер. Правда, в петле обратной связи при этом понадобится отдельное переключающее устройство, выполняющее функции ЦАП (на рисунке 6.19 показано штриховой линией), который управляется цифровым сигналом, а на выходе формирует либо “-B”

либо“+B”.

224