Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию ЦАП.

2. Объясните работу ЦАП с широтноимпульсной модуляцией. Какой основной недостаток ЦАП этого типа?

3. В чем состоит принцип работы последовательного ЦАП на переключающих конденсаторах? Преимущество по сравнению с ЦАП с широтноимпульсной модуляцией.

4. Нарисуйте структурную схему ЦАП с суммированием весовых токов. Объясните работу схемы. Какой основной недостаток схемы?

5. Объясните принцип работы ЦАП на основе матрицы типа R-2R.

6. Приведите структурную схему ЦАП на основе матрицы R-2R.

7. Как построить умножитель напряжения на постоянный коэффициент с помощью ЦАП?

8. Объясните преимущества и недостатки различных типов ключей, используемых при построении ЦАП.

9. Какие типы интерфейсов используются для подключения ЦАП к микроконтроллеру?

10. Нарисуйте структурную схему ЦАП с последовательным интерфейсом. Объясните работу схемы, приведите временную диаграмму работы схемы.

11. Нарисуйте структурную схему ЦАП с параллельным интерфейсом. Объясните работу схемы, приведите временную диаграмму работы схемы.

9. Аналого-цифровые преобразователи

9.1. Общие сведения

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 [12].

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)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}. На рис.9.1. показана характеристика преобразования идеального трех разрядного АЦП. Здесь же приведено условное графическое изображение АЦП на схемах.

    В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис.9.2 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

    В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

9.2. Параллельные ацп

Принцип работы параллельного АЦП состоит в том, что входное напряжение одновременно сравнивается с nопорными напряжениями и точно определяют, между какими двумя уровнями оно лежит. Результат получается за один шаг. На рис.9.3 показана схема трехразрядного параллельного АЦП. С помощью трех разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Следовательно для реализации АЦП потребуется (2ⁿ– 1) = 2³– 1 =7 компараторов, гдеn– разрядность АЦП.U₀– это значение напряжения младшего разряда, представляет собой, минимальный уровень квантования сигнала и определяется из выражения

U₀=U_оп /(2ⁿ– 1),

где U_оп– опорное напряжение.

Если например приложенное напряжение находится в пределах от 5/2U₀и 7/2U₀, то компараторы с 1 по 3 будут установлены в 1, а компараторы с 4 по 7 – в состояние 0. Двоичный код на выходе АЦП, соответствующий входному напряжению, можно получить с помощью приоритетного шифратора. На его выходах формируется двоичное число, соответствующее наивысшему из входов, на которые подана единица. Значения входных переменных, расположенных ниже, не имеют значения. Работа АЦП иллюстрируется таблицей 9.1.

Однако приоритетный шифратор нельзя подсоединять непосредственно к выходам компараторов. Если напряжение изменяется из-за неодинаковых времен переключения компараторов может быть получен ошибочный результат. Решить эту проблему можно, например, предотвратив с помощью схемы выборки – хранения изменение входного напряжения в течение времени измерения. Однако при этом способе ограничивается допустимая частота входного напряжения, так как для установки схемы выборки – хранения необходимо время.

Другой способ устранить этот недостаток можно с помощью промежуточной памяти, включенной после компараторов. В качестве памяти используется триггер, срабатывающий по фронту. В этом случае обеспечивается сохранение стационарного состояния на выходе приоритетного шифратора при действии фронта импульса, запускающего триггер.

 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 содержит 2^N-1компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость и значительная потребляемая мощность АЦП. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.