Главная | Обратная связь

Аналого-цифрові перетворювачі. Класифікація. Процедура АЦП

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є пристроями, які приймають вхідні аналогові сигнали і генерують відповідні їм цифрові сигнали, придатні для обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями.

Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму, проте це завдання вдається вирішити лише в рідкісних випадках через складність таких перетворювачів. Тому в даний час найбільш раціональним визнається спосіб перетворення різних за фізичною природою величин спочатку у функціонально пов'язані з ними електричні, а потім вже за допомогою перетворювачів напруга-код - в цифрові. Саме ці перетворювачі мають зазвичай на увазі, коли говорять про АЦП.

Процедура аналого-цифрового перетворення безперервних сигналів, яку реалізують за допомогою АЦП, являє собою перетворення неперервної функції часу U (t), яка описує вихідний сигнал, в послідовність чисел {U '(t _j)}, j = 0,1,2,: , віднесених до деяких фіксованим моментів часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називається дискретизацією і полягає в перетворенні безперервної функції часу U (t) в безперервну послідовність {U (t _j)}.Друга називається квантуванням і полягає в перетворенні безперервної послідовності в дискретну {U '(t _j)}.

Найбільш поширеною формою дискретизації є рівномірна, в основі якої лежить теорема відліків. Відповідно до цієї теореми в якості коефіцієнтів a _j слід використовувати миттєві значення сигналу U (t _j) в дискретні моменти часу t _j = j D t, а період дискретизації вибирати з умови D t = 1/2F _m, де F _m - максимальна частота спектра переутвореного сигналу.

Для сигналів із суворо обмеженим спектром цей вислів є тотожністю. Однак спектри реальних сигналів прагнуть до нуля лише асимптотично. Застосування рівномірної дискретизації до таких сигналів призводить до виникнення в системах обробки інформації специфічних високочастотних спотворень, обумовлених вибіркою. Для зменшення цих спотворень необхідно або збільшувати частоту дискретизації, або використовувати перед АЦП додатковий фільтр нижніх частот, що обмежує спектр вихідного сигналу перед його аналого-цифровим перетворенням.

Класифікація АЦП

Зараз відома велика кількість методів перетворення напруга-код. Ці методи суттєво відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення та складністю апаратної реалізації. В основу класифікації АЦП покладено ознаку, яка вказує на те, як в часі розгортається процес перетворення аналогової величини в цифрову. В основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування та кодування. Вони можуть проводитись за допомогою або послідовної, або паралельної, або послідовно-паралельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

12. Паралельні АЦП

АЦП цього типу здійснюють квантування сигналу одночасно за допомогою набору компараторів, включених паралельно джерела вхідного сигналу. На рис показана реалізація паралельного методу АЦ-перетворення для 3-розрядного числа.

За допомогою трьох двійкових розрядів можна представити вісім різних чисел, включаючи нуль. Необхідно, отже, сім компараторів. Сім відповідних еквідистантних опорних напруг утворюються за допомогою резистивного дільника.

Якщо прикладене вхідна напруга не виходить за межі діапазону від ⁵ / ₂ h, до ⁷ / ₂ h, де h = U _оп / 7 - квант вхідної напруги, що відповідає одиниці молодшого розряду АЦП, то компаратори з 1-го по 3-й встановлюються в стан 1, а компаратори з 4-го по 7-й - в стан 0. Перетворення цієї групи кодів у тризначне двійкове число виконує логічний пристрій, зване пріоритетним шифратором. Підключення пріоритетного шифратора безпосередньо до виходу АЦП може привести до помилкового результату при зчитуванні вихідного коду. Розглянемо, наприклад перехід від трьох до чотирьох, або в двійковому коді від 011 до 100. Якщо старший розряд внаслідок меншого часу затримки змінить свій стан раніше інших розрядів, то тимчасово на виході виникне число 111, тобто сім. Величина помилки в цьому випадку складе половину вимірюваного діапазону.

Так як результати АЦ-перетворення записуються, як правило, в запам'ятовуючий пристрій, існує ймовірність отримати повністю невірну величину. Вирішити цю проблему можна, наприклад, за допомогою пристрою вибірки-зберігання (ПВЗ).Деякі інтегральні мікросхеми (ІМС) паралельних АЦП, наприклад МАХ100, забезпечуються надшвидкісними ПВЗ, що мають час вибірки порядку 0,1 нс. Інший шлях полягає у використанні коду Грея, характерною особливістю якого є зміна лише однієї кодової позиції при переході від одного кодового значення до іншого. Нарешті, в деяких АЦП (наприклад, МАХ1151) для зниження ймовірності збоїв при паралельному АЦ-перетворення використовується двотактний цикл, коли спочатку станувиходів компараторів фіксуються, а потім, після встановлення стану пріоритетного шифратора, подачею активного фронту на синхровхід вихідного регістра в нього записують вихідний слово АЦП.

Завдяки одночасній роботі компараторів паралельний АЦП є найшвидшим. Наприклад, восьмирозрядний перетворювач типу МАХ104 дозволяє отримати 1 млрд. відліків в секунду при часі затримки проходження сигналу не більше 1,2 нс. Недоліком цієї схеми є висока складність. Дійсно, N-розрядний паралельний АЦП стримає 2 ^N-1 компараторів і 2N узгоджених резисторів. Наслідком цього є висока вартість (сотні доларів США) і значна споживана потужність. Той же МАХ104, наприклад, споживає близько 4 Вт.
13. Послідовні АЦП