Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи

Понятие и основные процессы АЦП

Аналого-цифровые преобразователи – устройства, преобразующие входной аналоговый сигнал в цифровой вид, пригодный для обработки цифровыми устройствами.

Процесс АЦП представляет собой преобразование непрерывной функции времени, описывающей входной сигнал в последовательность чисел. Преобразование состоит их трех этапов [2]:

Дискретизация – формирование выборок с шагом дискретизации, выбранного по условию теоремы Котельникова-Найквиста.

Квантование – разбиение сигнала на равные отрезки и замена исходных значений на уровни квантования, то есть округление дискретных значений до ближайших целых чисел из набора фиксированных уровней.

Кодирование – представление значений полученных уровней в виде двоичного кода.

Классификация АЦП

Существует множество способов реализации АЦП, которые отличаются последовательностью выполняемых операций, технологическими особенностями и др. Фундаментальные различия аналого-цифровых преобразователей состоят в способе осуществления операций дискретизации, квантования и кодирования. В зависимости от этого выделяют [8]:

последовательные АЦП (одностороннего приближения и двоично-взвешенного приближения);

параллельные АЦП;

последовательно-параллельные АЦП.

Последовательные АЦП одностороннего приближения

Основные элементы данного преобразователя (рисунок 1.1):

генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП;

компаратор – устройство, сравнивающее входной сигнал U_вх с напряжением, полученным генератором ступенчатого напряжения.

Рисунок 1.1 – Структурная схема последовательного АЦП с генератором ступенчатого напряжения

КТ1-КТ6 – контрольные точки

Работа схемы [1]:

Аналоговый сигнал U_вх поступает на вход компаратора.

Интервал преобразования задается сигналом «Пуск», который переводит RS-триггер в состояние «1» (рисунок 1.2 в) и открывает элемент «И».

Через «И» на счетчик поступают импульсы тактового генератора (рисунок 1.2 а, г) и код числа на выходе растет.

При увеличении кода числа увеличивается напряжение на выходе ЦАП (рисунок 1.2 д), причем увеличение происходит ступенчато с шагом:

∆u=U_оп/2^m , (1.1)

где U_оп – опорное напряжение, m – разрядность ЦАП.

Рисунок 1.2 – Временные диаграммы работы последовательного АЦП с генератором ступенчатого напряжения

Когда напряжение ЦАП превысит U_вх, сработает компаратор и сигналом переведет триггер «Т» в «нулевое» состояние (рисунок 1.2 в).

Элемент «И» закроется и импульсы с тактового генератора перестанут поступать на счетчик.

С выхода триггера «Т» импульс зафиксирует состояние счетчика в регистре РГ как код входного сигнала, а счетчик перейдет в состояние «0» (рисунок 1.2 е, ж). Сигнал на выходе ЦАП также примет значение «0».

После вышеперечисленного система перейдет в режим ожидания до импульса «Пуск».

Таким образом, время преобразования АЦП переменное и зависит от величины U_вх, то есть чем больше входной сигнал, тем больше время преобразования [2]:

T_(пр.макс)=(2^m-1)∆T , (1.2)

где ∆T – период следования счетных импульсов, m – разрядность счетчика и ЦАП.

Уравнение преобразования [1]:

k∆u=u_вх, (1.3)

где ∆u – величина ступени (шаг квантования), 0 ≤k ≤2^m – число ступеней, сформированных ступенчатым генератором до момента, когда входное