Материал: Аналоговая и цифровая электроника. Учебное пособие. 2000

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

U

 

 

U(t)

Un*(t)

 

 

 

6h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2h

U2

U3

4

5

6

7

 

 

 

h U1*

 

 

U

U

U

U

 

 

 

U1

 

 

 

 

U8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2Tg

4Tg

6Tg

8Tg

10Tg

12Tg

t

Ри с 164 . П рин цип аналого-ци ф рового п реобразовани я.

 

Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене

бесконечного множества её значений на некоторое конечное множество значений U*n (t), называемых уровнями квантования. Для выполнения этой

операции весь диапазон изменения функции D=U(t)max-U(t)min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования U n(t).

Величина h=D/N носит название шага квантования. В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция U(t) заменяется дискретной функцией U n(t).

В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением:

Kni = U (ht)i ±δ ki

где U(t)i - значение функции U(t) в i-м шаге,

h- шаг квантования,

δki - погрешность преобразования на i-м шаге.

Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности εi , значение которой определяется неравенством

h2 ε ≤ + h2

Погрешность зависит от разрядности.

Основные параметры АЦП делятся на статистические и динамические.

Кстатистическим относятся:

вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое перемещение и т.д.,

диапазон изменения входных величин,

разрядность,

абсолютная разрешающая способность,

141

абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δшк ,

нелинейность преобразования δL.

Кдинамическим параметрам относится максимальная частота

преобразования fпр.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся на АЦП параллельного преобразования, АЦП поразрядного взвешивания, следящие АЦП и интегрирующие АЦП. Аналого-цифровые преобразователи

параллельного преобразования реализуют метод непосредственного считывания и являются самыми быстродействующими. В качестве примера рассмотрим принцип работы микросхемы К1107ПВ1.

Микросхема имеет 6 разрядов и обеспечивает быстродействие до 20 МГц.

Ux

 

Прием

 

 

 

 

Uon

 

 

 

R64

 

 

 

K64

64

Регистр

X6

 

Преобра-

R63

зователь

 

X5

кода

 

X4

K63

 

 

X3

 

 

X2

R62

 

 

 

 

X1

 

 

 

K1

1

 

 

R1

Рис 165. Структурная схема параллельного АЦП.

Устройство содержит делитель R1÷R64, 64 компаратора, преобразователь кода и регистр. На входы компараторов поступают входной сигнал Ux и напряжение с делителя. При этом на выходах компараторов формируется 64ех разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования. Полученный единичный код поступает на вход преобразователя кода, в котором он преобразуется в 6-и разрядный двоичный код. Полученный двоичный код записывается в регистр и выдается на выходные шины.В данном АЦП время преобразования занимает один такт.

АЦП поразрядного взвешивания (или поразрядного кодирования)

выполняет одно преобразование за n тактов.

142

 

Ux

Схема

U0

Uм

сравнения

Резистивная

 

 

 

 

матрица с

Схема

 

ключами

 

управления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uупр

 

т.и.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Регистр

 

 

 

 

 

приближения

Цифровой код

Рис 166. Структурная схема АЦП поразрядного кодирования.

Основой АЦП является регистр последовательных приближений. Он представляет собой сдвигающий регистр, в котором последовательно, начиная со старшего разряда формируется логическая единица. В зависимости от сигнала Uупр ,поступающего на его вход, эта единица или остается или заменяется логическим “0”. Резистивная матрица формирует аналоговое напряжение, эквивалентное весуцифрового кода, поступающего на матрицу с регистра приближений. Схема сравнения сравнивает напряжения Ux и Uм, и в зависимости от их величин формирует сигнал Uупр. на уровне лог."0" или лог."1" .

Рассмотрим пример:

Пусть Ux=7в, а U0=10в, тогда в первом такте в старшем разряде регистра формируется лог."1" и Uм=5в, Uм< Ux; Uупр.=1. Следовательно, в старшем разряде остается лог."1".

Во втором такте, в следующем n-1 разряде формируется лог."1" и Uм=5в+2,5в=7,5в; Uм> Ux; Uупр.=0. Следовательно, единица в n-1 разряде заменяется на лог."0" и Uм=5в.

Втретьем такте в разряд n-2 регистра записывается лог."1" и

Uм=5в+1,25в=6,25в, Uм< Ux; Uупр.=1. Следовательно, лог."1" в n-2 разряда остается.

Вчетвертом такте в разряд n-3 регистра записывается лог."1" и

Uм=5+1,25+0,625=6,875в, Uм< Ux; Uупр.=1. Следовательно, лог."1" остается в разряде n-3.

Процесс преобразования повторяется n тактов, в результате с регистра приближений снимается код преобразованной аналоговой величины.

АЦП поразрядного взвешивания нашли широкое применение при разработке ИС ввиду своей простоты и достаточно хорошего быстродействия.

143

Такие ИС могут иметь в своем составе генератор тактовых импульсов и источник эталонного напряжения или не иметь их.

В качестве примера рассмотрим АЦП, выполненное на ИС К1113ПВ1.

ИС предназначена для преобразования однополярного или биполярного аналогового напряжения (Uвх=0 ÷ 10в или Uвх= -5в ÷ +5в) в десятиразрядный двоичный код. Нелинейность преобразования ±0,1%, время преобразования 30мкс. Для работы ИС требуется два источника питания +5в и –15в.

В микросхему встроен внутренний источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов.

Ux

Uвх

A/D

D1

 

 

гаш/преоб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2

 

 

 

 

гашение

Зап.

 

 

выходы

Зап.

сброс

 

 

D3

 

 

 

 

 

 

преобразов.

 

 

D4

 

пуск

пуск

t

 

 

 

D5

 

 

 

 

 

D6

 

цифровые

Оконч. преобр

 

 

 

 

 

D7

 

RAD

 

 

Упр.

Упр.

 

D8

 

tпреоб

tпреоб

t

 

 

D9

 

 

 

 

 

D10

о.п.

 

 

 

 

 

 

 

RAD

 

D

 

 

 

 

 

+U1

 

Un1

третье

 

 

 

 

 

 

состояние

 

t

 

 

 

-U2

 

Un2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OVO

 

 

 

 

 

Рис 167. ИС К1113ПВ1 (а) и временная диаграмма ее работы (б).

 

Запуск АЦП производится лог."0". Цифровая информация с выходных шин снимается через 30мкс после поступления сигнала Гашение-

преобразование”. Tпреобр.=30 мкс. Работа АЦП поясняется временной диаграммой его работы (рис. 167. б)

 

 

Ux

 

 

 

 

схема

 

 

 

Uм

 

 

 

 

 

 

сравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U0

 

Резистивная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

схема

 

матрица с

 

 

 

 

 

 

 

 

управления

 

 

ключами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реверсивный

"±"

счетчик

т.и.

U

Ux

 

h

 

t

 

 

 

 

 

 

Рис 168. Следящие АЦП (а),временная диаграмма ее работы (б).

цифровой код

 

144

Следящие АЦП в отличии от АЦП поразрядного взвешивания имеют в

своем составе вместо регистра последовательных приближений реверсивный

счетчик.

 

 

 

 

 

 

 

Работа АЦП поясняется временной диаграммой работы(б). Управление

реверсивным счетчиком производится по управляющей шине “±” в

зависимости от соотношения сигналов Ux и Uм. При изменении входного

сигнала Ux, изменяется код реверсивного счетчика и напряжение с матрицы Uм

следитза Ux.

 

АЦП

 

относятся

к

медленнодействующим

Интегрирующие

 

преобразователям. Принцип их действия основан на преобразовании

аналоговой величины во временной интервал tx и формировании число-

импульсного (единичного) кода путем заполнения этого интервала импульсами

опорной частоты f0. Значение единичного кода определяется соотношением:

 

 

 

 

N(1)=tx* f0

 

 

 

Число-импульсный код поступает на счетчик, на выходе которого

формируется цифровой код. Структурная схема такого АЦП приведена на

рис.169 а

 

 

 

 

 

 

 

Ux

Компаратор

 

Генератор

 

 

цифровые выходы

 

Un

 

 

кв.частоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Генератор

 

 

 

Вентиль

 

вход

Счетчик

пилообразного

 

 

 

 

счет

 

 

 

 

 

 

 

напряжения

 

 

 

 

 

 

запуск

Схема

 

 

 

 

 

 

управления

 

 

 

 

 

 

конец

 

 

Ux

 

 

 

Ux

преобразования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ux

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Un

fx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Un(t)=Ux t

 

 

вход

t1

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

счет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

Рис 169. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б)

 

интегрирующего АЦП.

 

 

 

 

 

145

Источник: https://studfile.net/preview/16521196/