Аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Само название этого электронного устройства говорит о том, что оно должно выполнять функции обратные ЦАП, т.е. каждому значению аналоговой переменной вырабатывать однозначно соответсвующий код числа. Однако код любого числа всегда имеет ограниченное количество разрядов, т.е. ограниченное количество значений, но аналоговая переменная в заданных границах изменений имеет бесконечно большое количество значений, которые не могут быть отображены ограниченным количеством значений кодов. А это говорит о том, что такое преобразование всегда будет иметь погрешность. Поэтому сначала разберемся с основными понятиями и принципами анавлого-цифрового преобразования. Для простоты представления возьмем трех разрядный двоичный код, который имеет всего восемь значений, а диапазон изменения аналоговой переменной возьмем 7 вольт. Соответствие аналоговой переменной и двоичного кода при условии, что 0В аналоговой переменной соответствуют коду 000 показано на рис. 124.

Диагональная прямая показывает точное преобразование при коде с неограниченным количеством разрядов, т.е. преобразование без погрешности. Ступенчатая сплошная линия показывает преобразование трех разрядным кодом, имеющим всего лишь восемь значений. Каждому значению кода ставиться в соответствие определенный уровень напряжения минимальному значению - 000 соответствует уровень 0В, следующему значению кода - 001 соответствует уровень 1В и так далее всего восемь уровней. Такой подход для формирования кодов называют квантованием по уровню, при этом нужно учитывать, что изменение кода на один разряд соответствует приращению напряжения на постоянную величину называемую квантом. Если квант напряжения обозначим ΔU, то в нашем случае ΔU=1В. В нижней части рисунка показана разность между значениями при идеальном преобразовании и при квантовании при этом полученная переменная dU является методической погрешностью преобразования изменяется в диапазоне 0 ÷ 1В. Часто dU называют шумом квантования. Как видно из рисунка максимальная погрешность преобразования равна -1В. Уменьшить погрешность можно если коду 001 ставить в соответствие не 1В а 0,5В сохраняя шаг квантования 1В. На рисунке это показано ступенчатой штриховой линией. При этом погрешность будет находиться в диапазоне напряжений от +1 до -1 вольт, а максимальное значение погрешности в этом случае составит 0,5В. Рассмотренный принцип преобразования аналог - код однозначно показывает, что чем больше разрядность кода тем меньше погрешность преобразования.

По способу реализации принципа квантования по уровню АЦП подразделяются на параллельные и последовательные.

Лекция 37.

11.2.1 Параллельный АЦП.

На рисунке 125 приведена схема параллельного преобразователя. Как видно из схемы его основу составляют компараторы на инвертирующие входы которых подаются напряжения прогпорциональные кванту, а на не инвертирующие входы подается входное аналоговое напряжение. Соответственно количество компараторов определяет количество уровней квнтования.

Источник напряжения V1 является источником опорного напряжения, которое делится на уровни квантования резистивным делителем R1÷R5. Напряжения уровней квантования пдаются на компараторы VR1÷VR4. На не инвертирующие входы подается входное аналоговое напряжение от функционального генератора. При входном напряжении равном нулю на выходах компараторов установятся напряжения низкого логического уровня. При возрастании входного напряжения до уровня 0,5 кванта на выходе компаратора VR4 появится высокий уровень напряжения. Дальнейший рост входного напряжения приведет к последовательному единичных уровней напряжения на выходах остальных компараторов, т.е. на выходах компараторов имеем линейный унитарный код. Для преобразования унитарного кода в двоичный код использован приоритетный шифратор микросхема 74148. Триггеры U5÷U8 использованы с целью уменьшения погрешности преобразования, так как в этом случае выборка унитарного кода будет осуществляться настолько быстро, что изменение аналоговой переменной будет не существенно. Источник напряжения импульсной последовательности V2 определяет тактовую частоту выборки значений унитарного кода. Приведенная схема выполнена в пакете EWB и при ее повторении может быть использована для изучения. Функциональный генератор настроен на получение линейно уменьшающегося напряжения, график изменения соответствующего двоичного кода показан на рис. 126.

Верхняя линия -- напряжение тактовой частоты, остальные горизонтальные линии соответственно выходы шифратора. По горизонтали -- время. Как видно уменьшающееся входное напряжение дает убывающий двоичный код.

Основным достоинством данного АЦП является его высокое быстродействие. Параллельные АЦП интегрального исполнения имеют тактовую частоту, т.е. частоту считывания показаний до 100 МГц, что позволяет использовать их в преобразовании видеоинформации.

Недостатком данного преобразователя является его высокая стоимость, что связано с большими аппаратными затратами при его построении.

Лекция 37.