25 Лекция. Основные способы преобразования аналог–код. Аналого-цифровые преобразователи в интегральном исполнении
25.1 Основные способы преобразования аналог–код
Для аналого-цифровых преобразователей можно выделить пять генерализованных (наиболее общих) методов преобразования непрерывной величины Y в код. Первый из них – это преобразование «физическая величина – временной интервал Dt – код».
Преобразование Y Þ Dt является аналоговым (непрерывным), а преобразование D tÞ КОД – дискретным. Реализация первого (аналогового) преобразования в АЦП выполняется специальной схемой, качество которой во многом определяет технические характеристики этого функционального модуля. В качестве примера, такая схема будет рассмотрена ниже на примере времяимпульсного однотактного АЦП.
Дискретное преобразование, отражающее методическую погрешность преобразователя, иллюстрируется по ходу материала. Геометрическая интерпретация времяимпульсного метода показана на рисунке 25.1. Видно, что длина отрезка Х отличается от длины отрезка NX на некоторую величину из-за конечного значения наименьшей меры (кванта) q. Эта методическая погрешность (погрешность квантования или дискретизации) присуща любому цифровому устройству: за счёт уменьшения значения кванта её можно сделать пренебрежимо малой, но существует она всегда.
Структура преобразователя Dt Þ КОД также приведена на рисунке 25.1.
Рисунок 25.1 – Преобразователь «длительность импульса – код»
Число импульсов, подсчитанных счётчиком, определяется:
N = Dt/To = f0 × Dt . ()
При втором, частотно-импульсном методе, при оценке длины отрезка X, если нет отрезков единичной длины, а есть большой отрезок известной длины Aq, – то отрезок X вкладывается в отрезок Aq. Число вложений подсчитывается (рисунок 25.2).
Рисунок 25.2 – Геометрическая интерпретация частотно-импульсного метода
Длина неизвестного отрезка определится
X = Aq/M . ()
Метод характеризуется последовательным счётом повторяющейся измеряемой величины и используется, если оцениваемая величина преобразована в частоту следования импульсов: XÞYÞfÞКОД. Структура преобразования fÞКОД приведена на рисунке 25.3.
Число импульсов, подсчитанных счётчиком, определяется
M = Dtо/Tx = fx × Dto . ()
Рисунок 25.3 – Преобразователь «частота импульсов – код»
Для геометрической интерпретации третьего метода – кодоимпульсного метода, можно использовать набор отрезков, длины которых соответствуют весовым коэффициентам двоичного кода (20; 21; 22; 23) и равны q , 2q , 4q , 8q (рисунок 25.4).
Рисунок 25.4 – Геометрическая интерпретация кодоимпульсного метода
Метод характеризуется наличием нескольких мер, кратных кванту и относящихся как весовые коэффициенты кода; количеством мер, равным числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной, приближаясь к ней.
Функциональная схема метода приведена на рисунке 25.5.
Рисунок 25.5 – Функциональная схема кодоимпульсного метода
Временные диаграммы, характеризующие работу кодоимпульсного преобразователя, приведены на рисунке 25.6 (для 4-х разрядного двоичного кода). При четырёх разрядах кода потребовалось 5 тактовых импульсов (число тактов на единицу больше числа разрядов).
Рисунок 25.6 – Временные диаграммы кодоимпульсного преобразователя
АЦП последовательного счета
Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов fтакт равно:
tпр.макс=(2N-1)/ fтакт.
Например, при N=10 и fтакт=1 МГц tпр.макс=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.
Четвёртый метод – это метод пространственного кодирования, который применяется при преобразовании величины X в угловое (a) или линейное (l) перемещение: X Þ a; X Þ l. Это аналоговое преобразование. Преобразование перемещения в код – дискретное преобразование.
Метод имеет заранее заготовленные комбинации мер, кратных кванту, т. е. кодовую маску (рисунок 25.7). В столбцах маски чередуются участки, соответствующие различным физическим свойствам, например: проводник – изолятор, прозрачность – непрозрачность.
Рисунок 25.7 – Пример кодовой маски
Метод характеризуется считыванием состояний всех разрядов одновременно. Применяется в пространственных АЦП угловых и линейных перемещений в код.
При исследовании электрических сигналов также используется пятый метод – метод считывания (или параллельный метод). В нём напряжение постоянного тока сравнивается с рядом постоянных опорных напряжений, количество которых равно количеству квантов (рисунок 25.8).
Рисунок 25.8 – Функциональная схема метода считывания
Данный метод обладает принципиально максимальным быстродействием, но и аппаратной избыточностью.