1.2 Ацп, построенные на основании метода поразрядного уравновешивания

Недостаток АЦП последовательного счета – низкое быстродействие можно устранить, если оперировать не с однородной величиной (мерой u₀), а с разновеликими мерами u₀₁,u₀₂…u_ok. в этом случае временная зависимость процесса сравнения будет такой, как показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Временная зависимость процесса сравнения АЦП поразрядного уравновешивания

Максимальное количество тактов в такой схеме всего в два раза больше, чем количество разрядов:

M_мах=2n,

Такие АЦП обеспечивают до 10⁵…10⁶ преобразований в секунду. В то же время, статическая погрешность мала, что позволяет реализовать разрешающую способность до 16 двоичных разрядов. Время преобразования в таких схемах зависит от формы и временных параметров входного сигнала, то есть время преобразования у них переменное.

АЦП, использующие метод поразрядного уравновешивания широко применяются при создании различных цифровых измерительных приборов, а также при цифровой обработке быстроизменяющихся сигналов.

Функциональная схема АЦП, реализующая этот метод, приведена на рисунке 1.4. Измеряемое напряжение подается на один из входов компаратора. ГТИ здесь формирует импульсы разрешения записи в регистр. При подаче сигнала «Пуск» на вход предустановки регистра S, в старший разряд записывается логическая 1. На выходе регистра формируется соответствующий код, который подается на ЦАП.

1-компаратор; 2-ГТИ; 3-регистр; 4-ЦАП.

Рисунок 2.4 – Функциональная схема АЦП поразрядного уравновешивания.

ЦАП формирует соответствующее этому коду напряжение, которое подается на второй вход компаратора и используется в качестве напряжения U_оп. Если U_вх оказывается больше U_оп то в следующий разряд регистра записывается «1», если меньше, то в старший разряд записывается «0». Этот процесс происходит, разность между измеряемой величиной U_вх (u) и U_оп не станет меньше кванта u_0, в этом случае процесс сравнения прерывается и соответствующий измеряемому напряжению код снимается с выходов регистра.

1.3 Ацп, построенные на основании метода одновременного считывания

В этом методе реализуется однозначное соответствие между множеством квантов сравнения u₀₁,u₀₂…u_ok и множеством дискретных значений входной непрерывной величины u_i. То есть происходит одновременное, или параллельное сравнение измеряемой величины с набором мер, значения которых подобраны по определенному закону. Именно поэтому такие АЦП еще называются параллельными. Временная зависимость процесса сравнения для данного метода представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Временная зависимость процесса сравнения АЦП одновременного считывания

Функциональная схема параллельного АЦП приведена на рисунке 1.6.

1-делитель напряжения; 2-компараторы; 3-кодирующий преобразователь.

Рисунок 1.6 – Функциональная схема параллельного АЦП.

Делитель напряжения формирует напряжения, называемые квантами сравнения u₀₁,u₀₂…u_ok . Они подаются на входы соответствующих компараторов На вторые входы компараторов подается измеряемое напряжение U_вх. На тех компараторах, где входное напряжение больше кванта сравнения на выходе устанавливается логический 0, где меньше – логическая 1. Процесс сравнения происходит на всех компараторах одновременно. Поэтому, код, соответствующий измеряемой величине u_i формируется сразу, а не постепенно. Затем этот код преобразуется кодирующим преобразователем в код двоичный.

АЦП, построенные по таким схемам, являются самыми быстродействующими Они позволяют достичь частот преобразования 100...200 МГц. Время преобразования параллельных АЦП – от нескольких сотен, до нескольких десятков наносекунд.

Максимальное время преобразования:

t_{пр мах} =t_зск· t_зсп,

где t_зск– время задержки срабатывания компараторов схемы (так как процесс сравнения происходит одновременно на всех компараторах схемы, то это время равно времени задержки срабатывания одного компаратора);

t_зсп – время задержки срабатывания кодирующего преобразователя.

Недостатком схем одновременного считывания является аппаратная сложность, определяемая числом компараторов N:

N=2ⁿ,

где n- число разрядов двоичного кода

Если делитель, формирующий кванты сравнения равномерный, то:

U₀₁=U_ион/N+1,

Максимальная погрешность квантования

Ζ ≤ U₀₁,

1.4 Двухтактные параллельные АЦП

Недостаток параллельных АЦП – аппаратная сложность и большое количество компонентов частично устраняется в двухтактных параллельных АЦП. Схема такого АЦП приведена на рисунке 1.7.

АЦП1 преобразует в цифровой код n-к старших разрядов. Этот цифровой код подается на ЦАП и преобразуется в напряжение, которое вычитается в сумматоре из входного Uвх. Разность напряжений преобразуется АЦП2 в код младших разрядов.

1-АЦП старших разрядов; 2 – ЦАП; 3 – сумматор;4- АЦП младших разрядов.

Рисунок 1.7 – Структурная схема двухтактного параллельного АЦП.

Достоинством двухтактных параллельных схем является меньшее количество компонентов компараторов, по сравнению с параллельными, более простая схемная реализация и, как следствие, меньшая стоимость. Быстродействие АЦП построенных по двухтактной схеме примерно в два раза ниже, чем параллельных АЦП.

Максимальное время преобразования:

t_{пр мах} =t_АЦП1 + t_ЦАП + t_СУМ + t_АЦП2,

где t_АЦП1 – время преобразования для параллельного АЦП старших разрядов;

t_ЦАП – время установления для цифроаналогового преобразователя;

t_СУМ – время задержки срабатывания сумматора;

t_АЦП2 – время преобразования для параллельного АЦП младших разрядов.

Временная зависимость процесса сравнения двухтактных схем такая же как и у параллельных АЦП.

U₀₁ и ζ_мах определяется теми же соотношениями, что и для параллельных АЦП. Необходимо заметить, что эти параметры следует вычислять в двухтактной схеме для АЦП младших разрядов.

Количество компараторов в двухтактных параллельных АЦП:

N=N₁+N₂,

где N₁+N₂ - количество компараторов в АЦП 1 – старших разрядов и АЦП 2 – младших разрядов соответственно.

N₁=2ⁿ¹,

где n1 – количество старших разрядов.

N₂=2ⁿ²,

где n2 – количество старших разрядов.

Общее количество разрядов:

n=n₁+n₂ ,

Обычно количество старших разрядов в параллельных двухтактных АЦП равно количеству младших, то есть:

n₁=n₂ =n/2.