АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Под аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации в ана­логовой форме к информации в цифровой форме. Эти преобразова­тели широко используют для ввода в ЭВМ аналоговых данных, при цифровом измерении аналоговых сигналов, для перехода к цифро­вым сигналам в цепях автоматического регулирования и т. п. Вме­сте с ЦАП рассматриваемые преобразователи начинают использо­ваться в системе обработки данных, построенных на базе микро­процессоров.

В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напря­жение, выходным — соответствующее ему значение цифрового (обычно двоичного) кода. Структурная схема АЦП в общем виде показана на рис. 6.11. В рассматриваемом преобразователе происхо­дит квантование входного напряжения на конечное число дискрет­ных уровней.

Основные параметры АЦП: разрядность, точность преобразова­ния, зависящая от шага квантования и ошибок, вносимых основны­ми узлами АЦП, а также время преобразования, необходимое для представления мгновенного значения аналогового сигнала в цифро­вой форме.

Состав АЦП в отличие от ЦАП может изменяться в значи­тельной степени в зависимости от метода преобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили три основ­ных метода: последовательного счета, поразрядного кодирования и считывания.

Метод последовательного счета основан на уравновешивании входной величины суммой одинаковых и минимальных по величине эталонов. Момент уравновешивания определяется с помощью одного сравнивающего устройства, а количество эталонов, уравновешиваю­щих входную величину, подсчитывается с помощью счетчика.

                               

Рис. 6.11. Структурная схема АЦП

Рис. 6.12. АЦП последова­тельного счета с ЦАП в цепи обратной связи

Метод поразрядного кодирования (уравновешивания) преду­сматривает наличие нескольких эталонов, обычно пропорциональных по величине степеням числа 2, и сравнение этих эталонов с анало­говой величиной.
Сравнение начинается с эталона старшего разря­да. В зависимости от результата этого сравнения формируется зна­чение старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде ставится 0 и далее про­изводится уравновешивание входной величины следующим по зна­чению эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшем производится уравновешивание разности между входной величиной и первым эталоном.

Метод считывания подразумевает наличие 2n — 1 эталонов при «-разрядном двоичном коде. Входная величина одновременно сравнивается со всеми эталонами. В результате преобразования по­лучается параллельный код в виде сигналов на выходах 2™ — 1 схем сравнения (компараторов).



Рассмотрим примеры АЦП, реализованных в микроэлектронном исполнении.

Схема АЦП последовательного счета с ЦАП в цепи обратной связи показана на рис. 6.12. По сигналу «Пуск» на вход счетчика начи­нают подаваться импульсы генератора тактовой частоты. По мере поступления этих импульсов растет входной код ЦАП и повышает­ся напряжение на его выходе (Uцап). Оно подается на компаратор вместе с UВх. В момент, когда указанные напряжения сравнивают­ся, компаратор срабатывает и прекращает работу счетчика. На вы­ходах счетчика устанавливается код, являющийся цифровым экви­валентом входного сигнала. Погрешность преобразования зависит от значения ступеней UЦап, погрешности в их формировании и ошибки компаратора в определении равенства Uвх и Uцап. Время преобразования непостоянно и зависит от UВх.

Одной из разновидностей АЦП последовательного счета, харак­теризующейся повышенной точностью, является преобразователь с промежуточным преобразованием во временной интервал с двой­ным интегрированием.

Рис. 6.13. АЦП с двойным инте­грированием:

а — функциональная схема; б — вре« менные диаграммы работы

Поясним принцип действия такого преобразователя, схема ко­торого и временные диаграммы работы показаны на рис. 6.13.


Импульс запуска через Т1 открывает ключ K1 и Uвх подается на вход интегратора Ин. Напряжение интегратора вместе с постоян­ным напряжением U0 подаются на входы компаратора СС. В мо­мент t1, когда Uин становится равным U0, с СС подается сигнал на триггер Т3, он перебрасывается и открывает устройство совпадения, через которое на счетчик СТ2 начинают поступать импульсы такто­вой частоты. Интегрирование ведется до момента tz, когда счетчик переполняется, сбрасывается в исходное состояние и выдает сигнал на триггеры Т1 и Т2. При этом К1 закрывается, а K2 открывается, и на вход ин­тегратора подается Uon, имею­щее полярность, обратную Uвх. Напряжение на выходе инте­гратора начинает падать. В мо­мент tз, когда UИн станет рав­ным Uо, с компаратора по­ступает сигнал, который при­водит Т12 и Т3 в исходное со­стояние. При этом Uоп от­ключается от входа интегра­тора и работа счетчика пре­кращается. На нем будет за­писан код



Где Тт — период тактовой частоты; n — число разрядов в счетчике.

В рассмотренной схеме за счет использования одних и тех же узлов на обоих этапах интегрирования Uвх и Uon исключаются по­грешности в формировании линейно-изменяющегося напряжения, ошибки в срабатывании компаратора, погрешности в стабильности источника тактовой частоты. К недостаткам преобразователя можно отнести невысокое быстродействие.



Рис. 6.14. АЦП поразрядного кодирования

Дня построения преобразователей с более высоким быстродей­ствием используется метод поразрядного кодирования. Схема одно­го из вариантов подобного преобразователя приведена на рис. 6.14. При подаче импульса запуска триггер старшего разряда Тп устанавливается в состояние 1, а остальные триггеры (Тп-1 — Т1) — в О одновременно записывается 1 в старший разряд регистра сдвига. В первом такте работы на компаратор подаются UBX и U3n, снимаемое с выхода ЦАП и соответствующее 1 старшего разряда. Если UBS.>Uэn, на выходе СС сигнала не будет и в старшем раз­ряде (Тп) сохранится 1.


Если Uвх<Uэп, то СС выдает сигнал, ко­ торый через компаратор вернет Тп в состояние 0. Одновременно произойдет сдвиг 1 в регистре в (n — 1) разряд, что обеспечит пода­чу эталонного напряжения UЭ(n-1) с ЦАП на СС. Далее процесс преобразования идет аналогично. В результате преобразования UЕХ уравновешивается суммой эталонных напряжений, снимаемых с ЦАП:



где ai — коэффициенты 1 и 0 в разрядах выходного кода, снимае­мого с триггеров Тп — Т1; U3i — эталонное напряжение ЦАП, соот­ветствующее г-разряду.

В рассмотренном АЦП время преобразования постоянно и опре­деляется числом разрядов и тактовой частотой TПр=n/fт. Погреш­ность преобразования зависит от ошибок ЦАП и чувствительности СС. Имеются более сложные модификации рассмотренного преобра­зователя, которые характеризуются повышенным быстродействием и точностью.



Рис. 6.15. АЦП, построенный по методу считывания

 

Наибольшим быстродействием обладают преобразователи, по­строенные по методу считывания. Пример такого преобразования показан на рис. 6.15. В этом преобразователе 2n — 1 опорных на­пряжений формируются с помощью резистивного делителя. Каждое из опорных напряжений подается вместе с UBX на соответствующий компаратор. Срабатывают лишь те компараторы, у которых UВх> >U0ni. Результат сравнения через фиксирующие триггеры подается на шифратор, преобразующий его в код. Преобразование произво­дится за два такта, время преобразования 10 — 100 не. Недостаток этого преобразователя в большом числе компараторов, которое быстро возрастает с ростом числа разрядов n.

 



Рис. 6.16. Компаратор напряжения 240СА1

Как видно из рассмотренных схем преобразователей, нашедших применение на практике, в их состав входят различные аналоговые и цицЬровые узлы. В настоящее время отечественная промышлен­ность выпускает для построения АЦП наборы микросхем. Из набо­ров можно строить различные по точности и быстродействию пре­образователи. Для построения аналоговых частей преобразователей можно использовать микросхемы серий 240, 252, а также 228, 265 и др.



Серия 240 включает кроме цифровых микросхем набор схем, предназначенных для построения десятиразрядных АЦП с диапазо­ном входных напряжений +5 В и временем преобразования до 100 икс. В серию входят шесть типов аналоговых микросхем: 240СА1, 240УД1, 240КН1, 240КН2, 240КНЗ, 240ЕН1.

240СА1 (рис. 6.16) — компаратор, который предназначен для сравнения двух напряжений, имеет следующие параметры: разре­шающая способность не ниже 2 мВ, входное сопротивление 1 МОм, напряжение смещения нуля на входе менее 2 мВ, максимальное значение сравниваемых напряжений 5 В, ток нагрузки до 12 мА, скорость нарастания выходного напряжения не менее 10 В/мкс.

240УД1 рис. 6.17,а — операционный усилитель. Имеет коэффи­циент усиления при разомкнутой цепи обратной связи не ниже 8000 в полосе частот более 100 кГц, входное сопротивление 1 МОм, входной ток не более 1,5 мкА, напряжение смещения нуля на входе до 2 мВ, максимальное выходное напряжение 5 В, ток нагрузки не более 5 мА, скорость нарастания выше 2,1 В/мкс. Схема включения усилителя показана на рис. 6.17,6.

240КН1, 240КН2 — аналоговые ключи, соответственно на 1 и 3 канала, предназначенные для подключения на выход положительно­го или отрицательного эталонного напряжения в зависимости от входных сигналов.

Принципиальная схема одного канала ключа 240К.Н2 приведе­на на рис. 6.18. При подаче на вывод 20 потенциала 1, а на вывод 17 — 0, на выводе 35 формируется положительное эталонное напря­жение, а на выводе 3 — напряжение, близкое к 0. Если сигналы на выводах 20 и 17 поменять на противоположные, то на выводе 3 появится отрицательное эталонное напряжение, а на выводе 35 — напряжение, близкое к 0.

Погрешности передачи эталонных напряжений при переклюпе-нии (+0,5 В) и токах нагрузки от 0 до 0,5 мА составляют +2 5 (240КН1А), ±5 (240КН1Б) и ±10 мВ (240КН2).

240КНЗ — четырехразрядный коммутатор, предназначенный для подключения на выход напряжений +5 В в зависимости от уровней управляющих сигналов. Принципиальная схема одного разряда ком­мутатора показана на рис. 6.19.


При подаче на вывод 18 потенциа­ла 1, а на вывод 19 — 0 ключ открывается и сигнал с вывода 17 проходит на вывод 20. При смене потенциалов на выводах 18 и 19 ключ закрывается и цепь передачи сигналов между выводами 17 и 20 разрывается. Коммутатор имеет остаточное напряжение на открытом ключе не более 1 мВ при сопротивлении менее 100 Ом, ток утечки в закрытом состоянии менее 100 нА, время включения не более 1 мкс.

240ЕН1 (рис. 6.20,а) — стабилизатор напряжения ±5 В, обеспе­чивающий нестабильность выходного напряжения не более 0,06 %, ток нагрузки по каждому из двух выходов 25 мА. Источники опор­ных напряжений собраны на внешних стабилитронах, выходные на­пряжения регулируются резисторами R3, Rs (рис. 6.20,6).



Рис. 6.17. Операционный усилитель 240УД1

Микросхемы серии 240 работают от источников питания +9 В+10 % и ±5 В+10 %. Эта серия разработана для построе­ния АЦП поразрядного кодирования и последовательного счета с двойным интегрированием. В качестве примера на рис. 6.21 пока­зана структурная схема АЦП поразрядного кодирования, построен­ного на базе серии 240 с использованием матрицы 301НС1.



Рис. 6.18. Один канал анало­гового ключа 240КН2

 

Добавление резнстивной матрицы в состав серии, например 301НС1, значительно расширяет ее функциональные возможности — матрица может быть использована для построения АЦП других ти­пов, а также ЦАП.



Рис. 6.19. Один разряд ком­мутатора 240КНЗ

Другим набором микросхем, предназначенным для построения АЦП (и ЦАП), является серия 252, состоящая из семи типов ми­кросхем: 252СА1, 252УД1, 252КН1, 252ПА1, 252ПА2, 252ПАЗ, 252ПН1.



Рис. 6.20. Стабилизатор напряжения 240ЕН1: о — принципиальная схема; б - схема включения

252СА1 — три компаратора (рис. 6.22), имеющие разрешающую способность не ниже 2 мВ, скорость нарастания выходного напря­жения более 30 В/мкс при напряжении входного сигнала 10 мВ. Компаратор может включаться как с высоким входным сопротив­лением через эмиттерные повторители Т1, Т$ (выводы 2 и 3), так и с низким — при подаче сигналов на базы транзисторов Т2, Г4 (вы­воды 1, 4).



252УД1 — два операционных усилителя (рис. 6.23) со следую­ щими параметрами: коэффициент усиления не менее 7000 при полосе частот до 1 МГц, входное сопротивление до 0,9 МОм, входной ток не более 0,1 мкА, напряжение смещения нуля менее 3 мВ, скорость нарастания выходного напряжения до 5 В/мкс. За счет изменения параметров внешних элементов R1, R2, С1, C2 (рис. 6.23,6) можно изменять частотную зависимость коэффициента усиления и получить полосу частот до 5,5 МГц (при малом сигнале).

252КН1 — четырехканальный коммутатор (рис. 6.24), предназна­ченный для коммутации сигналов с частотой до 60 МГц, имеет коэффициент передачи сигнала 0,8, отношение коэффициентов пере­дачи открытого и закрытого ключа — 40 дБ, максимальный комму­тируемый ток 2 мА. Коммутатор работает от источников питания±6 В+10 %. Управляющие сигналы подаются на выводы 2, 5, 8, 11, при этом коммутируются цепи соответственно между выводами 4 — 25, 7 — 22, 10 — 19, 13 — 16.

Остальные микросхемы, входящие в серию 252, были описаны в § 6.1.

Основные направления развития АЦП — повышение быстродей­ствия основных . узлов, в частности, компараторов до 10 — 15 не, повышение их точности до 0,05 — 0,005 %, увеличение разрядности преобразователей до 12 — 16, использование микропроцессоров в пре­образователях. Заметим, что одновременная реализация высоких требований по точности и быстродействию затруднена, поэтому создаваемые микроэлектронные АЦП (как и ЦАП) можно разде­лить на три основные группы — общего применения, быстродейст­вующие и прецизионные.



Рис. 6.21. Многоканальный десятиразрядный АЦП поразряд­ного кодирования



Рис. 6.22. Один канал компаратора напряже­ния 252СА1:

а — принципиальная схема; б — схема включения

Более подробно сведения о ЦАП и АЦП на микросхемах мож­но получить в [17, 29, 30, 33].



Рис. 6.23. Один канал ОУ 252УД1:

а — принципиальная схема; б — схема включения



Рис. 6.24. Коммутатор 252КН1


Содержание раздела

---