ATsP_TsAP

Рисунок 14 Структурная схема АЦП последовательного счета

–цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с источником опорного напряжения, формирующий напряжение в соответствии с кодом, находящимся в РС;

–схема переключения направления счета, определяющая режим работы

РС;

–тактовый генератор (ТГ) для генерации синхроимпульсов.

Временные диаграммы работы АЦП последовательного счета показаны на рис. 15. Работает АЦП следующим образом.

Тактовый генератор формирует непрерывную последовательность син-

хроимпульсов с периодом T. По каждому синхроимпульсу (в каждом такте) со-

держимое РС увеличивается либо уменьшается на единицу, в зависимости от режима работы, задаваемого схемой переключения направления счета. Соот-

ветствующее изменение U(Z) составляет одну единицу младшего значащего разряда UМЗР . Режим работы определяется компаратором в результате сравне-

ния напряжений UВХ и U(Z) : если UВХ > U(Z), то РС суммирует тактовые импульсы, если UВХ < U(Z),. то вычитает.

21

Рисунок 15 Временная диаграмма работы АЦП последовательного счета

Напряжение U(Z), изменяющееся на каждом такте, отслеживает измене-

ния UВХ с отклонениями в установившемся режиме (режиме слежения) не бо-

лее 2UМЗР . Уменьшение отклонения до UМЗР достигается, когда при условии

/UВХ – U(Z)/ < (1/2)UМЗР счет останавливается.

Выходной код определяется, как

Z UВХ (2N 1) /UОПОРН .

Если по каким-либо причинам (сброс счетчика, скачок входного напря-

жения) возникают большие различия UВХ и U(Z), то в схеме происходит пере-

ходной процесс установления режима слежения. Для того, чтобы слежение не сбивалось, нужно, чтобы скорость изменения UВХ была ограничена величиной

UМЗР/T :		dUВХ / dt		UМЗР / T .

Для неискаженного преобразования синусоидального сигнала его удво-

енная амплитуда не должна превышать полного количества уровней квантования, 2UМ ≤ 2NUМЗР , или UМ ≤ 2N-1UМЗР. Максимальная скорость изменения достигается в момент перехода через ноль и составляет 2 fU M , следовательно,

22

T

UМЗР

UМЗР

UМЗР

(2N f ) 1 .

dU

/ dt

2 fU

2 f 2N 1U

ВХ

MAX

M

МЗР

f 10кГц , разрядность N 8 , тогда T 1.2410 7 сек . Такие

Если частота сигнала

скорости работы в существующих элементах цифровой техники легко реализу-

ются. Достоинствами схемы являются простота построения и получение отсче-

тов сигнала по каждому синхроимпульсу.

АЦП последовательного приближения

Классическим методом аналого-цифрового преобразования является метод последовательного приближения, который иначе называется методом поразрядно-

го взвешивания. Этот метод относится к числу последовательных, он использует процедуру двоично-взвешенных приближений. Построение метода аналогично процедуре взвешивания на рычажных весах с двоичным набором гирь. Струк-

турная схема АЦП приведена на рис. 16. Она содержит следующие элементы:

–устройство выборки-хранения (УВХ), предназначенное для обеспечения неизменности входного напряжения в течение цикла преобразования;

–аналоговый компаратор (К1), выполняющий сравнение напряжений с выходов УВХ и цифро-аналогового преобразователя;

–регистр последовательного приближения (РПП) емкостью N разрядов, в

котором последовательно поразрядно составляется выходной код;

–цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с источником опорного напряжения, формирующий напряжение в соответствии с кодом, находящимся в РПП;

–схема управления (СУ), обеспечивающая выполнение алгоритма преоб-

разования входного сигнала;

– тактовый генератор (ТГ) для генерации синхроимпульсов.

23

Рисунок 16 Структурная схема АЦП последовательного приближения

Временные диаграммы работы АЦП последовательного приближения показаны на рис. 17. Работает АЦП следующим образом. До поступления сигнала ―Пуск‖ на выходе РПП, который является выходом АЦП, находится код, полученный в предыдущем цикле преобразования. УВХ работает в режиме выборки, т.е. сле-

жения за уровнем входного сигнала (U+ = Uвх). По переднему фронту сигнала

―Пуск‖ в момент времени t0 начинается первый такт цикла преобразования.

УВХ переключается в режим хранения сигнала (U+ фиксируется в момент t0 и

не изменяется в течение всего цикла преобразования) и запускается ТГ (или синхронизируется СУ при постоянно работающем ТГ). Сигнал U+ подается на прямой вход компаратора. Первым тактовым импульсом в старший разряд РПП записывается код, содержащий ―1‖ в старшем разряде и ―0‖ во всех остальных разрядах. Этот код, попадая на входы ЦАП, вызывает появление на его выходе напряжения U (Z ) UМЗР 2N 1 (которое составляет примерно половину макси-

мального входного напряжения).

24

Рисунок 17 Временные диаграммы работы АЦП последовательного приближения

Напряжение U(Z) поступает на второй (инвертирующий) вход компарато-

ра, сравнивающего его с U+. Если U+ > U(Z), то с выхода К1 на СУ подается высокий уровень, по которому ―1‖ в старшем разряде РПП сохраняется, в про-

тивном случае на выходе К1 формируется низкий уровень, согласно которому в старший разряд РПП записывается ―0‖. В момент времени t1 первый такт закан-

чивается. В следующих тактах состояние старшего разряда РПП не изменяется.

Во втором такте на интервале t1 – t2 по второму тактовому импульсу ―1‖ уста-

навливается в следующем за старшим разряде РПП, сравнение напряжений по-

вторяется и определяется значение обрабатываемого разряда. Далее процесс по-

вторяется для всех остальных разрядов аналогичным образом до определения значения младшего разряда. С каждым тактом значение напряжения на выходе

25

U МЗР

ЦАП будет приближаться к значению входного сигнала. Цикл преобразования всегда выполняется за N тактов. Процесс работы АЦП по тактам может быть представлен следующими соотношениями:

1.	U (Z ) U МЗР 2N 1 ;		1,	U вх	U (Z )
		zN 1		U вх	U (Z )
			0
2.	U (Z ) U МЗР 2N 1 zN 1	2N 2 ;	zN 2		1,		Uвх	U (Z )
							Uвх	U (Z )
					0
3.	U (Z ) U МЗР 2N 1 zN 1	2N 2 zN 2	2N 3 ;				zN 3	1,	Uвх	U (Z )
									Uвх	U (Z )
								0
	…
N-1.	U (Z ) U МЗР 2N 1 zN 1	2N 2 zN 2	... 22 z2			21 ;		z1	1	Uвх U (Z )
										Uвх U (Z )
									0
N.	U (Z ) U МЗР 2N 1 zN 1	2N 2 zN 2	... 21 z1			20 ;		z0	1	Uвх U (Z )
										Uвх U (Z )
									0
	После окончания N-го такта в момент времени tN									состояние РПП (выхо-

да АЦП) фиксируется, устанавливается сигнал ―конец преобразования‖ (КПр) и

УВХ переключается в режим выборки сигнала. Напряжение U+ на выходе УВХ становится равным напряжению Uвх и отслеживает его изменения. Сигнал КПр разрешает передачу кода на внешние устройства.

При поступлении сигнала ―Пуск‖ начинается следующий цикл преобра-

зования входного сигнала. Описанное функционирование соответствует старт-

стопному режиму работы, при котором сигнал ―Пуск‖ разрешает один цикл преобразования. В таком режиме упрощается сопряжение АЦП с внешними устройствами.

Диапазон изменения входного напряжения составляет от 0 до (2N 1) ,

разрешающая способность равна половине младшего разряда квантования, т.е.

U МЗР / 2 .

26

Данный класс АЦП, представляя собой разумный технический компро-

мисс, между точностью и быстродействием, находит широкое применение — как при построении цифровых измерительных приборов, так и в различных систе-

мах цифровой обработки быстро меняющихся сигналов (совместно с УВХ). Раз-

рядность применяемых в настоящее время АЦП рассматриваемого типа состав-

ляет от 8 (в микроконтроллерах) до 16–18 двоичных разрядов. Длительность цикла преобразования составляет от десятых долей до нескольких десятков микросекунд.

Параллельные АЦП

В аналого-цифровых преобразователях параллельного типа квантование входного сигнала осуществляется одновременно и реализуется с помощью набора из m = 2N-1 одинаковых компараторов, где N—разрядность выходного двоичного кода. Структурная схема параллельного АЦП, преобразующего одно-

полярный сигнал, приведена на рис. 18. Она содержит следующие элементы:

–источник опорного напряжения;

–резистивный делитель опорного напряжения;

–блок компараторов;

–регистр хранения данных;

–приоритетный шифратор.

Всхемах АЦП параллельного типа УВХ не применяется. Аналоговый сигнал со входа АЦП подается одновременно на параллельно соединенные пря-

мые (неинвертирующие) входы всех компараторов. Уровни срабатывания (поро-

говые уровни) у всех компараторов разные и отличаются на величину шага кванто-

вания (напряжения младшего значащего разряда UМЗР). Эти уровни задаются с помощью резистивного делителя – цепочки резисторов, один конец которой под-

ключен к общему проводу – «аналоговой земле» (для однополярного сигнала), а

другой – к источнику опорного напряжения. Величина резисторов при линейной шкале квантования строго одинакова. Заземленный резистор имеет половинную

27

Рисунок 18 Структурная схема параллельного однополярного АЦП

величину, что обеспечивает получение несмещенной характеристики преобразо-

вания.

При увеличении входного сигнала от нуля сначала при напряжении

(1/2)UМЗР срабатывает первый компаратор К1, затем – при напряжении (3/2)UМЗР

– второй, и так далее, т.е количество включенных компараторов определяется уровнем входного сигнала. Выходы компараторов через регистр хранения дан-

ных подключены ко входам приоритетного шифратора, который формирует N-

разрядный двоичный код отсчета в соответствии с максимальным номером сра-

ботавшего компаратора.

28

Число, соответствующее выходному коду, определяется, как

Z	U ВХ	(2N 1)	U ВХ	.
	U МЗР		U ОПОРН

Регистр обеспечивает возможность хранения состояния компараторов и соответственно неизменность выходного кода АЦП в течение интервала времени между импульсами стробирования (тактовыми импульсами). Его применение позволяет выполнить синхронизацию моментов формирования выходного кода внешним стробирующим сигналом, определяющим частоту дискретизации.

Для работы с биполярным сигналом в схему следует дополнительно ввести источник опорного напряжения отрицательной полярности и правый (по схеме)

конец цепочки резисторов вместо «земли» подключить к этому источнику.

Также необходимо изменить схему шифратора для обеспечения формирования кодов чисел со знаком.

Способ параллельного кодирования обеспечивает наибольшую скорость преобразования, из-за чего его иногда называют способом «мгновенного коди-

рования». Время преобразования определяется быстродействием компараторов,

триггеров регистра и задержкой на шифраторе

Tпр tк t р tш ,

где tк – время срабатывания компаратора; tр — задержка в регистре;

tш – задержка на шифраторе.

Поскольку сумма этих величин для современной элементной базы неве-

лика (порядка нескольких наносекунд), то параллельные АЦП способны рабо-

тать на частотах дискретизации до 200 МГц и выше. Однако, несмотря на та-

кие великолепные технические характеристики и чрезвычайно простую структуру, параллельные преобразователи имеют один вполне очевидный не-

достаток: с увеличением числа разрядов квантования (т. е. с увеличением раз-

решающей способности преобразования) число компараторов удваивается.

Именно это и ограничивает их применение на практике. При числе разрядов бо-

29

лее 6-8 схема получается чересчур громоздкой. Тем не менее, такие преобразо-

ватели широко используются в качестве элементов последовательно-

параллельных АЦП.

Двухкаскадный последовательно-параллельный АЦП

Последовательно-параллельные АЦП являются тем классом преобразо-

вателей, который позволяет использовать быстродействие и простоту парал-

лельных АЦП для создания многоразрядных преобразователей последователь-

ного типа с высокой разрешающей способностью. Некоторое снижение быст-

родействия последовательно-параллельных АЦП в сравнении с чисто парал-

лельными компенсируется многократным уменьшением числа элементов схемы прежде всего за счет количества компараторов. Принцип действия рассмотрим на примере 8-разрядного АЦП. Структурная схема двухкаскадного последова-

тельно-параллельного АЦП приведена на рис. 19. Она содержит следующие элементы:

–устройство выборки-хранения (УВХ), обеспечивающее неизменность аналогового напряжения в течение цикла преобразования;

–АЦП1 для формирования старших разрядов кода;

–ЦАП для получения аналогового сигнала по старшим разрядам кода;

–вычитающее устройство ВУ, разностное напряжение с выхода которого подается на вход АЦП2;

–АЦП2 для формирования младших разрядов кода.

Все устройство в целом осуществляет преобразование входного аналого-

вого сигнала с 8-разрядным разрешением. Преобразование осуществляется в два приема с помощью двух 4-разрядных АЦП. Оба они, и АЦП1, и АЦП2 –

параллельного типа, т. е. являются однотактными. Но алгоритм работы данной схемы предполагает их последовательное действие, и общее количество тактов рав-

ное трем.

30