Аналого-цифровые преобразователи. Структурные схемы АЦП

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для авто­матического преобразования (измерения и кодирования) непрерыв­но изменяющихся во времени (т. е. аналоговых) величин в соответ­ствующие значения числовых кодов. В данном случае под словом «цифра» понимается двоичный код. Когда, например, говорят о цифровой звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре или о цифровой телефонии, то подразумевают, что непрерывно изменя­ющийся звуковой сигнал записывается или передается именно в виде двоичных (бинарных) кодов, т. е. «оцифрованным».

В зависимости от способа преобразования АЦП подразделяют на последовательные, параллельные и последовательно-параллель­ные. На рис. 4 показан АЦП последовательного типа.

По команде «Пуск» цифровой автомат ЦА вырабатывает после­довательность двоичных чисел, которые поступают на вход циф­ро-аналогового преобразователя (ЦАП), вырабатывающего напря­жение 1/иш, соответствующее каждому входному двоичному сигналу. Это напряжение Umn непрерывно растет (пока работает ЦА) и по­ступает на один из входов компаратора К, на другой вход которого поступает входное напряжение 11Ш. Компаратор сравнивает эти два сигнала и выдает сигнал при их равенстве. По этому сигналу оста­навливается ЦА, а на его выходе фиксируется двоичный код, соот­ветствующий Um. Таким образом, преобразование в последователь­ном АЦП происходит в ступенчатом режиме, отдельными шагами (тактами), последовательно приближаясь к измеряемому значению. Поэтому последовательные АЦП на каждое преобразование анало­гового сигнала затрачивают много времени. Для повышения их бы­стродействия используется метод поразрядного уравновешивания. Иллюстрирующая этот метод схема показана на рис. 5.

Роль цифрового автомата выполняет регистр Рг с датчиком так­товых импульсов ДТИ. Считывание выходного кода происходит по сигналу схемы готовности данных СГД, который поступает при по­ступлении сигнала от компаратора К о равенстве входного напряже­ния UBX и напряжения Uum. Работа компаратора синхронизирована

импульсами ДТИ. Эти же им­пульсы последовательно пе­реводят разряды регистра Рг в состояние «1», начиная со старшего, а младшие разряды при этом остаются в состоя­нии «О». При этом ЦАП вы­рабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе К с входным. Если Uuan больше

Рис.4. Аналого-цифровой преобразователь последовательного типа

UBX, то по команде компаратора старший регистр сбрасывается в со­стояние «О», если Uum меньше UBX, то остается «1» в старшем разря­де. Затем в состояние «1» переводится следующий по старшинству разряд Рг и снова производится сравнение напряжений Uwn и UBX. Цикл повторяется до тех пор, пока не произойдет сравнение в млад­шем разряде. После этого СГД выдает сигнал о выдаче выходного кода. Число циклов сравнения в таком АЦП будет равно числу раз­рядов выходного кода.

Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного типа. Преобразование аналогового сигнала в код в таких АЦП осу­ществляется за один шаг. Но такие АЦП требуют нескольких ком­параторов. Выходное напряжение одновременно сравнивается во всех компараторах с несколькими опорными напряжениями. Парал­лельные АЦП имеют большее число элементов, чем последователь­ные. Рассмотрим работу трехразрядного параллельного АЦП (рис. 6). Тремя двоичными разрядами можно представить восемь чисел: от 0 до 7. Поэтому используется 7 компараторов для сравне­ния входного напряжения с опорными напряжениями, получаемы­ми с помощью схемы резисторного делителя. От каждого компара­тора получается сигнал «О», если входное напряжение меньше опор­ного, и «1» — в противном случае.

Состояние компараторов и соответствующих им двоичных ко­дов показано в табл. 4. Преобразователь, кода выдает двоичное трехразрядное число. Время преобразования параллельных АЦП может составлять несколько десятков наносекунд, что в сотни раз быстрее, чем у последовательных АЦП.

Рис. 6. Трехразрядный параллельный АЦП.