11.3.2 Принципы построения ацп
Основные виды АЦП мгновенных значений: последовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллельно-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервал времени.
Структурная схема АЦП последовательного приближения приведена на рисунке 11.11, а), где в отличие от схем АЦП последовательного счета в ней вместо счетчика введен регистр последовательного приближения, что сокращает время преобразования.
Структурная схема параллельного АЦП приведена на рисунке 11.12, где преобразователь осуществляет одновременное квантование входного сигнала uвх с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резистивного делителя в соответствии с используемой шкалой квантования.
Рисунок 11.11– Структурная схема АЦП последовательного
приближения (а) и графики процесса преобразования (б)
При подаче на входы компаратор сигнала uвх на их выходах получим квантованный сигнал, представленный в унитарном коде. Для преобразования унитарного кода в двоичный (или двоично-десятичный) используют кодирующий преобразователь. Параллельные преобразователи являются в настоящее время самыми быстрыми и могут работать с частой дискретизации свыше 100 МГц. Для получения широкой полосы пропускания компараторы обычно делают стробируемыми.
Рисунок 11.13 – Структурная схема параллельного АЦП
АЦП средних значений напряжения (интегрирующий АЦП) разделяются на виды: с времяимпульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и со статистическим усреднением, где наибольшее распространение получили первые две группы АЦП.
Работа интегрирующей АЦП с времяимпульсным преобразованием состоит из трех тактов, где в первом такте производится заряд интегратора, во втором – его разряд, а в третьем коррекция нулевого уровня интегратора. Достоинства таких интегрирующих АЦП состоят в высокой помехозащищенности, а к недостаткам относится невысокое быстродействие.
Другим типом интегрирующих АЦП являются АЦП с частотно-импульсный преобразованием, принцип работы которых основан на предварительном преобразовании входного напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, которая затем измеряется за фиксированный интервал времени. После подсчета числа импульсов результат выдается в виде цифрового эквивалента входного напряжения.
11.4 Цифро-аналоговые преобразователи
11.4.1 Назначение и виды цифро-аналоговых преобразователей
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – электронное устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации в аналоговую.
ЦАП используются для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанную с управляющим кодом. В основном эта зависимость линейная. ЦАП используются: для сопряжения устройства цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми системами; в качестве узлов обратной связи в аналогово-цифровых преобразователях; в устройствах сравнения цифровых величин с аналоговыми.
Области применения ЦАП: в системах передачи данных; в измерительных приборах и испытательных установках; синтезаторах напряжения и генераторах сложных функций, для формирований изображений на экране дисплеев и др. В связи с этим разработано и выпускается большое количество интегральных микросхем ЦАП.
Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, виду выходного сигнала, полярности выходного сигнала и др.
По принципу действия распространение получили ЦАП следующих видов: со сложением токов, с делением напряжения и со сложением напряжений. В микроэлектронном исполнении применяются только первые два типа. По виду выходного сигнала ЦАП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение обычно используются операционные усилители. По полярности выходного сигнала ЦАП делят на однополярные и двухполярные.
Управляющий код, подаваемый па вход ЦАП, может быть различным: двоичным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др. Кроме того, различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП.
При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляющего кода обычно используются источники опорного напряжения. В зависимости от вида источника опорного напряжения ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. ЦАП подразделяют и по основным характеристикам: количеству разрядов, быстроте действию, точности преобразования и потребляемой мощности.
Из параметров ЦАП выделяют на две группы: статические и динамические. К статическим параметрам ЦАП относят разрешающую способность, погрешность преобразования, диапазон значений выходного сигнала, характеристики управляющего кода и смещение нулевого уровня.
Динамическими показателями ЦАП являются: время установления выходного сигнала, предельная частота преобразования и динамическая погрешность.
Разрешающая способность ЦАП определяется как величина, обратная максимальному количеству градаций выходного сигнала. Так, если разрешающаяся способность ЦАП составляет 10–5, то это означает, что максимальное число градаций выходного сигнала равно 105. Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают выходным напряжением при изменении входного кода на единицу младшего разряда, т. е. шагом квантования. Чем больше разрядность ЦАП, тем выше его разрешающая способность.
Погрешность преобразования ЦАП принято делить на дифференциальную и погрешность нелинейности. С ростом кода на входе ЦАП растет и выходное напряжение, однако при увеличении напряжения могут быть отклонения от линейной зависимости.
По совокупности параметров ЦАП делят на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс, а к прецизионным относят ЦАП с погрешностью нелинейности менее 0,1%.