4. Теоретические сведения.

1. Рассмотрим упрощенную блок-схему АЦП последовательного приближения (см. рис. 5).

Рис. 5 АЦП последовательного приближения

В нем исполь­зуется один компаратор, максимальное число срабатываний которого за один цикл измерения не превы­шает числа разрядов преобразователя. Суть такого ме­тода преобразования заключается в последовательном сравнении входного преобразуемого напряжения с выходным напряжением образцового цифро-аналогового преобразователя ЦАП, изменяю­щимся по закону последовательного приближения до момента наступления их равенства (с погрешностью дискретности). Для обеспечения функционирования ЦАП необходим источник опорного или по другому образцового напряжения (Uоп) величиной амплитуды которого определяется максимальная величина входного сигнала АЦП, которая называется напряжением полной шкалы (Uпш ) преобразователя (FS англ.). Входной сигнал Vin с помощью аналогового компаратора сравни­вается с выходным сигналом образцового ЦАП, который управляется в свою очередь регистром последовательно­го приближения РгПП. При запуске схемы РгПП уста­навливается по сигналу синхронизации в исходное состояние. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответ­ствующее половине диапазона преобразования (1/2Uоп), что обес­печивается включением его старшего разряда 100 ... 0. Если Vin меньше выходного напряжения ЦАП, то стар­ший разряд выключается, включается второй по стар­шинству разряд (на входе ЦАП код 0100...0), что соот­ветствует формированию на выходе ЦАП напряжения, равного половине предыду­щего. В случае если Vin пре­вышает это напряжение, то дополнительно включается третий разряд (на входе ЦАП код 0110...0), что при­водит к увеличению выходного напряжения ЦАП в 1,5 раза. При этом выходное напряжение ЦАП вновь сравни­вается с напряжением Vin и т. д. Описанная процедура повторяется m раз (где m—число разрядов АЦП), см. рис. 6. В итоге на выходе ЦАП формируется напряжение, отли­чающееся от входного преобразуемого напряжения Vin не более чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования напряжения Vin в его цифровой эквива­лент—параллельный двоичный код Nx—снимается с выхода РгПП. Устройство выборки – хранения (УВХ) запоминает (сохраняет) мгновенное значение преобразуемого входного напряжения на время преобразования предыдущего мгновенного значения, т. е., пока первое мгновенное значение напряжения преобразуется, второе «стоит в очереди».

Рис. 6. Преобразование в АЦП последовательного приближения

Погрешность преобразования и быстродействие такого устройства определяются в основ­ном параметрами ЦАП (разрешающей способностью, ли­нейностью, быстродействием) и компаратора (порогом чувствительности, быстродействием). Преимуществом рассмотренной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразова­телей сравнительно высокого быстродействия (время пре­образования порядка нескольких сот наносекунд).

Рассмотрим передаточную характеристику АЦП.

При подаче на вход АЦП линейно-изменяющегося напряжения на выходе АЦП наблюдается последовательное изменение кодов. Передаточная функция идеального 3-х разрядного АЦП представлена на рис. 7а. Эта зависимость между значениями входного аналогового напряжения и выходного кода называется характеристикой преобразования АЦП. Точки на оси абсцисс соответствуют напряжениям межкодовых переходов. Под напряжением межкодового перехода понимается такое входное аналоговое напряжение, статистические вероятности преобразования которого в заданное и предшествующее заданному значению выходного кода равны. Разность значений напряжений заданного и следующего за ним межкодового переходов определяют шаг квантования - (hк) , который в свою очередь теоретически равен величине 1МЗР – младший значащий разряд (1LSB англ.).

Иными словами аналоговая величина, соответствующая заданному коду, определяется как центр кода, который расположен посередине между двумя соседними переходными областями (отмечены на рис. 7а черными точками) Поэтому необходимо, чтобы первый переход от 000 к 001 находился на уровне 1/2МЗР (LSB). Соответствующее полной шкале (Uпш или FSангл.) аналоговое входное напряжение Uвх для трехразрядного преобразователя составляет 7/8 FS (Uвх =FS - 1LSB или Uпш – 1МЗР ).

Рис. 7(а,б)

При проведении лабораторной работы для уменьшения количества измерений следует определять только начала кодовых переходов т. е. начальный момент изменения выходного кода и соответствующее ему напряжение см. рис.7б.