Аналогово-цифровые преобразователи

Глава 13

Аналогово-цифровые преобразователи и цифроаналоговые преобразователи

Аналогово-цифровые преобразователи

Это устройства, которые предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код. В качестве входного аналогового сигнала Х, величина которого может принимать произвольное значение, как правило, выступает напряжение, а выходным - является число N, представленное обычно в параллельном двоичном коде.

Уравнение преобразования аналого-цифрового преобразователя записывается в виде:

,

рис.13.1

int[x] – функция определяющая целую часть числа Х;

Х – текущее значение входного сигнала; Х_max – максимальное значение входного сигнала;

N ₁₀ - выходной сигнал в десятичной системе счисления. Десятичное число в двоичной системе счисления записывается так:

, где а_i= 0,1.

R – число разрядов двоичного кода (a_R-1a_R-2 a₀), которым представляется десятичное число N₁₀; (a_R-1a_R-2 a₀) –двоичный код десятичного числа N₁₀;

– вес младшего разряда АЦП, минимальное изменение напряжения на входе, которое приводит к изменению кода на выходе на единицу младшего разряда.

Классификация АЦП по принципу действия приведена на рис.13.2

рис.13.2

Наиболее распространена классификация АЦП, признаком которой служит характер процедуры приближения цифрового кода, получаемого в результате дискретизации времени и квантования уровня, к преобразуемому сигналу. Соответственно этой процедуре АЦП делят на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

К последовательным АЦП относятся:

1. Аналого-цифровой преобразователь со ступенчато-нарастающим образцовым напряжением. Это напряжение сравнивается с преобразуемым напряжением. В процессе нарастания образцового напряжения подсчитывается число ступенек строго определенной высоты. Счет прекращается в момент равенства образцо­вого напряжения преобразуемому. Фиксируемое в этот момент число ступенек представляет числовой эквивалент значения преобразуемого напряжения.

2. Время-импульсный АЦП (с однократным интегрированием), преобразующий напряжение в отрезок периодической последовательности импульсов (с промежуточным преобразованием напряжение-интервал времени), число которых пропорционально измеряемому значению напряжения. Преобразование напряжения в интервал времени осуществляется путем сравнения этого напряжения с образцовым линейно-изменяющимся напряжением, вырабатываемым интегратором.

3. Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным (двухкратным) интегрированием. В течение первого такта длительно­стью T₁ ко входу интегратора приложено преобразуемое (измеряемое) напряжение постоянного тока и выходное напряжение интегратора растет по линейному закону (крутизна этого напряжения пропорциональна U_изм). По окончании такта в момент t₁=T₁ преобразуемое напряжение снимается со входа интегратора, и он подключается к источнику образцового напряжения полярности, противоположной полярности преобразуемого напряжения. Начинается второй такт интегрирования, во время которого выходное напряжение интегратора линейно падает и в момент t₂ становится равно нулю. Интервал Dt=t₂-t₁ заполняется счетными импульсами, число m которых пропорционально значению U_изм напряжения.

4. Интегрирующий АЦП, осуществляющий преобразование напряжение в периодическую последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна значению преобразуемого напряжения.

5. Аналого-цифровой преобразователь поразрядного уравновешивания, работающий по принципу сравнения преобразуемого напряжения с рядом образцовых напряжений, значения которых различаются по определенному закону, например по закону последовательного расположения разрядов двоичного кода. Число, соответствующее набору значений образцовых напряжений, которым компенсируется преобразуемое (измеряемое) значение, представляет это значение в закодированной форме, т.е. в виде числового эквивалента.

Параллельные АЦП или АЦП, работающие по методу считывания, выполняют операцию квантования напряжения сигнала по многим уровням параллельно путем сравнения его с набором пороговых уровней.

Последовательно-параллельные 2n-разрядные АЦП представляют собой сочетание двух параллельных n-разрядных АЦП, n-разрядного ЦАП и схемы вычитания. В этой системе цифры старших разрядов формируемого кода получаются на выходе первого параллельного АЦП, а цифры младших разрядов - на выходе второго параллельного АЦП из разности входного напряжения и выходного напряжения ЦАП, на вход которого подается число, образованное старшими разрядами первого АЦП.