Принцип работы аналого-цифрового преобразователя

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу считывания, используют iN эталонов (N — число уровней квантования). При этом младший эталон равен h (шагу квантования), следующий 2h и т, д. Входная величина сравнивается с каждым эталоном своим устройством сравнения, в результате чего на выходе устройства формируется параллельный единичный код, в котором число единиц соответствует числу эталонов, выходной сигнал которых меньше входного

 

 

 

 

 

 

 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим основные электрические  характеристики ЦАП и АЦП. Они  подразделяются на статические, которые  задают конечную точность преобразования, и динамические, характеризующие быстродействие данного класса устройств. Статические характеристики преобразователей определяются видом характеристики преобразования, которая устанавливает соответствие между значениями аналоговой величины и цифрового кода. К ним относятся.

Число разрядов (Ь) —число разрядов кода, отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП или подаваться на вход ЦАП. При использовании двоичного кода под Ъ понимают двоичный логарифм от максимального числа кодовых комбинаций (уровней квантования) на выходе АЦП или входе ЦАП.

Абсолютная разрешающая способность — средние значения минимального изменения сигнала на выходе ЦАП (а), или минимального изменения входного сигнала АЦП (т), обусловленные увеличением или уменьшением его кода на единицу.

Значение абсолютной разрешающей  способности является мерой измерения всех основных статических характеристик данного класса устройств и часто обозначается как ЕМР (единица младшего разряда), или просто МР (младший разряд).

2. Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы (6 F_s)—отклонение реальных максимальных значений входного для АЦП (U_IRN) и выходного для ЦАП (U₀rn) аналоговых сигналов от значений, соответствующих конечной точке идеальной характеристики преобразования (U_IRN
3. max И UoRN max)
4. (рис. 23.2). Применительно к АЦП наличие bF_s означает, что максимальный выходной код будет сформирован на выходе устройства при входном сигнале £/_вх = U_IRN max—6F_S. По аналогии для ЦАП можно сказать, что при подаче на вход максимального кода его выходное напряжение будет отличаться от U₀rn max на величину bF_s. Обычно 6F_s измеряется в ЕМР. В технической литературе 6F_S иногда называют мультипликативной погрешностью.

Напряжение смещения нуля U₀ — для АЦП это напряжение (Uвхо) > которое необходимо приложить к его входу для получения нулевого выходного кода. Для ЦАП — это напряжение, присутствующее на его выходе (U_Bых0) при подаче на вход нулевого кода. Величина U₀ обычно выражается в ЕМР.

Нелинейность (6L) —отклонение действительной характеристики преобразования от оговоренной линейной, т. е. это разность реального напряжения, соответствующего выбранному значению кода и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в случае идеальной характеристики преобразования устройства, (рис. 23.2). Для ЦАП это напряжение измеряется относительно центров ступеней указанных характеристик (рис. 23.3). В качестве оговоренной линейной характеристики используют либо прямую, проведенную через точки 0 U_m&x, либо прямую, обеспечивающую минимазацию 6L, например, среднеквадратическое отклонение всех точек которой от реальной характеристики минимально. Величину 6L измеряют в ЕМР (6L=i6'L//i) или процентах (бL = = lOOS'L/t/max), где 6'L — абсолютное значение нелинейности). В справочной литературе обычно задается максимально возможная величина бL.

Дифференциальная нелинейность (б£_д). Это отклонение действительного шага квантования б'L_A от его среднего значения (h) (рис. 23.3). Величина б£_д измеряется либо в ЕМР [б£_д = = (6'£_д—Л)/Л], либо в процентах 6L_A = (б'£_д—/г) • \00/U_maLX.

Величина дифференциальной нелинейности однозначно связана с понятием монотонности характеристик ЦАП и АЦП. Если |б£_д|>1ЕМР, то приращение выходного сигнала в данной точке характеристики может быть как положительным, так и отрицательным (рис. 23.3). В последнем случае характеристика преобразования перестает быть монотонной.

Динамические свойства ЦАП и  АЦП обычно характеризуют следующими параметрами:

 

 

 

 

максимальная частота преобразования (f_c шах) —наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам;

время установления выходного сигнала (t_s)—интервал от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины, симметрично расположенную относительно установившегося значения. Обычно ширина этой зоны задается равной 1ЕМР (рис. 23.4). Отсчет времени t_s ведется от момента достижения входным сигналом значения половины логического перепада. Очевидно, что, в силу выражения (23.3), значение t_s связано с /стах условием f_c тах< 1/(2/_s). Аналогичный параметр для АЦП называют временем преобразования (t_c).

 

 

Принцип работы АЦП последовательного  счета со счетчиком рассмотрим с  использованием структурной схемы, показанной на рис. 23.8. Устройство содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ), выход которого подключен к первому  входу элемента 2И DD 1. Выход элемента 2И соединен со счетным входом счетчика DD2, поразрядные выходы которого соединены с входами ЦАП. Выход ЦАП подключен к инвертирующему входу безгисте- резисного компаратора DA, к неинвертирующему входу которого подключается источник входного напряжения, преобразуемого в код. Выход компаратора соединен со вторым входом элемента 2И DD 1.

Работает АЦП следующим образом. В исходном состоянии на вход установки  в нуль счетчика DD2 подан активный логический сигнал. Счетчик сброшен. Его выходной код равен нулю. Равно нулю и выходное напряжение ЦАП. Поэтому, если t/_BX>0, то на выходе компаратора присутствует сигнал лог. 1 и тактовые импульсы с выхода ГТИ через элемент 2И DD 1 поступают на вход С счетчика. Однако, так как сигнал на входе •/? = 0, выходной код счетчика ^ = 0.

Преобразование начинается в момент снятия со входа R активного логического сигнала (импульс «Пуск»). В этом случае с приходом каждого тактового импульса с выхода ГТИ счетчик выполняет операцию инкремента. Его выходной код начинает увеличиваться. Соответственно увеличивается и выходное напряжение ЦАП (рис. 23.9). Этот процесс продолжается до тех пор, пока выходное напряжение ЦАП не превысит величину U_BX. В этот момент компаратор DA сформирует на выходе сигнал лог. 0. В результате на выходе элемента 2И DD 1 также будет сформирован сигнал лог. 0 и увеличение выходного кода счетчика прекратится.

 

 

 

 

 

 

 

При этом значение выходного кода счетчика будет прямо пропорционально входному напряжению U_BX и обратно пропорционально абсолютной разрешающей способности используемого ЦАП

(239)

А^ВЫХ = Ujn..

Так как выходное напряжение ЦАП  имеет форму ступенчатой функции, то напряжение М_вых, найденное из (23.9), должно быть округлено до ближайшего целого числа, соответствующего номеру первого уровня U*_N, превышающего значение U_BX (рис. 23.9). Для повторения цикла преобразования необходимо импульсом «Пуск» счетчик установить в нуль.

Очевидно, что время преобразования в рассмотренном АЦП прямо  пропорционально его выходному  коду и периоду следования импульсов ГТИ (Т гти )

(23.10)

tc^Tгти-Мвых = Т’гти и_ъх/а.

Рассмотренный режим работы называется циклическим, так как каждый раз импульс «Пуск» сбрасывает счетчик DD2 и поэтому счет (преобразование) всегда начинается с нуля.

Если в АЦП использовать реверсивный  счетчик, то можно реализовать нециклический режим работы, характеризующийся более высоким быстродействием. В этом случае на выходе счетчика постоянно присутствует код, пропорциональный текущему значению входного напряжения. Структурная схема АЦП, реализующего нециклический режим работы, показана на рис. 23.10.

В отличие от АЦП, работающего в циклическом режиме, в схему дополнительно введены инвертор DD4 и еще один элемент 2И DD3.

Исходное состояние схемы аналогично состоянию циклического АЦП. Счетчик DD2 сброшен. Выходное напряжение ЦАП U₀rn = 0 и на вход «+1» счетчика DD2 поступает последовательность выходных импульсов ГТИ. При снятии активного логического уровня

Рис. 23.10. Структурная схема нециклического АЦП

 

 

Рис. 23.11. Временная диаграмма входного напряжения компаратора нециклического АЦП

с входа R счетчика его выходной код начинает увеличиваться. Увеличивается и выходное напряжение ЦАП. Этот процесс протекает до момента t\ (рис. 23.11), в который U₀rn>Ubx. Срабатывание компаратора DA приводит к тому, что на выходе элемента 2И DD 1 формируется пассивный для входа «+1» счетчика DD2 сигнал. Одновременно инвертор DDA формирует на нижнем входе элемента DD3 сигнал лог. 1. В результате этого на вход «—1» счетчика DD2 начинают поступать импульсы ГТИ. При этом счетчик выполняет операцию декремента и его выходной код начинает уменьшаться. Уменьшается и напряжение ЦАП. В момент нарушения неравенства U_bx>U₀rn происходит очередное переключение компаратора DA и счетчик начинает увеличивать свой выходной код.

Таким образом, с момента прихода  импульса «Пуск» до момента t\ оба рассмотренных АЦП работают одинаково. Однако после t! выходной код нециклического АЦП постоянно следит за изменением входного напряжения, что значительно снижает его время преобразования.

Общим недостатком рассмотренных  схем является длительность интервала в течение которого выходной код счетчика должен достичь значения, эквивалентного входному.напряжению. Причем увеличение точности требует увеличения разрядности используемых счетчика и ЦАП и ведет к падению быстродействия рассмотренных устройств. Вследствие сказанного, данный тип АЦП при разработке ИС не используется.

5. АЦП ПОРАЗРЯДНОГО КОДИРОВАНИЯ

Данный тип АЦП также часто  называют АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием. Проиллюстрируем его работу на примере упрощенной структурной схемы, показанной на рис. 23.12. Основой устройства является так называемый регистр последовательных приближений (РПП). Алгоритм его работы следующий. По каждому импульсу ГТИ РПП последовательно, начиная со старшего разряда, формирует на выходах Q сигнал лог. 1, который в зависимости от сигнала, посту

 

Рис. Структурная схема АЦП поразрядного кодирования

 

 

 

 

пающего на его управляющий вход с выхода компаратора, либо остается неизменным, либо заменяется сигналом лог. 0.

Работу АЦП рассмотрим с использованием временных диа- I рамм, приведенных на рис. 23.13.

В момент t₀ по сигналу «Пуск» в выходной статический регистр РПП, выполненный на /?5-триггерах DD₃._U ..., DDz._n> записывается код, содержащий единицу только в старшем разряде Q_n. Этот код при помощи ЦАП преобразуется в напряжение U₀rn 1, которое на входе компаратора DA сравнивается с входным напряжением устройства. Если U₀rn\>Ubx, то на выходе компаратора формируется единичный сигнал, если U₀rn\<^bx— то нулевой сигнал.

Одновременно сигналом «Пуск» в  младший разряд Q₀ сдвигового регистра DD 1 РПП по фронту ГТИ также записывается сигнал лог. 1. Этот сигнал открывает логический переключатель на элементе 2И DD₂.\ и выходной сигнал компаратора передается на вход /^-триггера DD₃.\. При этом, если U₀rni>‘Ubx, то триггер DD₃.i сбрасывается и на выходе РПП формируется нулевой код. В противном случае (U₀rn\<Ubx) триггер DD_Z.\ остается установленным и на выходе РПП сохраняется код с единицей в старшем разряде.

Следующий фронт ГТИ сдвигает код, записанный в DD 1 влево. В результате этого сигнал лог. 1 перемещается в его первый разряд (Qi), что устанавливает триггер Ш)з.₂. На выходе РПП формируется код, содержащий единицу в разряде Q_n-1, а на выходе ЦАП — новое значение напряжения, равное U₀rn2. Это напряжение также сравнивается с f/_BX. Так как сигнал лог. 1 присутствует только на выходе Q\ регистра DDu то выходной сигнал компаратора DA может воздействовать на вход </? только триггера DD₃.₂. При этом, если Uorn2>^[Ubx, то Л0₃.₂ сбрасывается, а если U₀rn2< <Ubx — триггер остается установленным.

Следующий импульс ГТИ сдвигает код, записанный в DD_X влево и процесс продолжается аналогично описанному до тех пор, пока сигнал лог. 1 не достигнет старшего разряда Q_n регистра DD 1. В этом случае по импульсу ГТИ регистр DD 1 устанавливается в нуль и процесс преобразования завершается. Искомое значение выходного кода считывается с выхода РПП.

Из приведенного алгоритма следует, что число импульсов, необходимое для выполнения преобразования, равно разрядности выходного кода АЦП, т. е. время преобразования

^_с = £7гти. (23.11)

Очевидно, что это время не зависит  от входного напряжения и существенно  меньше времени, необходимого для преобразования в АЦП последовательного счета.

Ввиду своей достаточной простоты и хорошего быстродействия данный тип  АЦП находит широкое применение при разработке ИС.

АЦП ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

 

 

Данный тип АЦП реализует  метод непосредственного считывания и является на сегодняшний день самым быстродействующим. Классический принцип его работы поясняется рис. 23.14. Устройство содержит 2^Ь — 1 компараторов К, на объединенные инвертирующие входы которых подается входной преобразуемый сигнал. На неинвертирующие входы компараторов подаются напряжения, численно равные уровням квантования U*. В результате с выходов компаратора снимается параллельный Л^т-разрядный единичный код. Числом единиц в нем равно числу уровней квантования по величине меньших значений и_зх.

Полученный единичный код подается на вход преобразователя кода (ПК), в  котором он преобразуется в двоичный с числом разрядов b = \g₂N. С выхода ПК двоичный код через логические переключатели на элементах 2И подается на вход статического регистра, с выхода которого он и считывается. Перезапись кода ПК в статический регистр происходит по сигналу «Запись». Этот сигнал подается в схему после того, как все переходные процессы, связанные со срабатыванием компараторов и получением двоичного кода, завершены.