Другим примером ЦАП, выполненного на базе полупроводниковой технологии, служит двенадцатиразрядный преобразователь К594ПА1, содержащий резистивную матрицу, биполярные токовые ключи и ОУ. Он имеет меньшее, чем у рассмотренного выше преобразователя время установления Густ = 3,5 мкс.

Перспективы развития ЦАП: уменьшение Густ до десятых долей микросекунд и менее в результате повышения быстродействия ключей и уменьшения времени установки ОУ; повышение точности преобразователя (до 0,05 - 0,003%) за счет улучшения качества резистивных матриц, ключей, стабильности источника опорного напряжения и увеличения разрядности преобразователя (до 14 - 16).

Рис. 6.10. Варианты построения преобразователей двоичного кода в напряжение на базе микросхем К572ПА1А.

а - двухквадрантный преобразователь; б - четырехквадрантный преобразователь

6.2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Под аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации в аналоговой форме к информации в цифровой форме. Эти преобразователи широко используют для ввода в ЭВМ аналоговых данных, при цифровом измерении аналоговых сигналов, для перехода к цифровым сигналам в цепях автоматического регулирования и т. п. Вместе с ЦАП рассматриваемые преобразователи начинают использоваться в системе обработки данных, построенных на базе микропроцессоров.

В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напряжение, выходным - соответствующее ему значение цифрового (обычно двоичного) кода. Структурная схема АЦП в общем виде показана на рис. 6.11. В рассматриваемом преобразователе происходит квантование входного напряжения на конечное число дискретных уровней.

Основные параметры АЦП: разрядность, точность преобразования, зависящая от шага квантования и ошибок, вносимых основными узлами АЦП, а также время преобразования, необходимое для представления мгновенного значения аналогового сигнала в цифровой форме.

Состав АЦП в отличие от ЦАП может изменяться в значительной степени в зависимости от метода преобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили три основных метода: последовательного счета, поразрядного кодирования и считывания.

Метод последовательного счета основан на уравновешивании входной величины суммой одинаковых и минимальных по величине эталонов. Момент уравновешивания определяется с помощью одного сравнивающего устройства, а количество эталонов, уравновешивающих входную величину, подсчитывается с помощью счетчика.

дх

АЦП

\ СЧ

ЦАП

Рис. 6.11. Структурная схема АЦП

Рис. 6.12. АЦП последовательного счета с ЦАП в цепи обратной связи

Метод поразрядного кодирования (уравновешивания) предусматривает наличие нескольких эталонов, обычно пропорциональных по величине степеням числа 2, и сравнение этих эталонов с аналоговой величиной. Сравнение начинается с эталона старшего разряда. В зависимости от результата этого сравнения формируется значение старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде ставится 0 и далее производится уравновешивание входной величины следующим по значению эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшем производится уравновешивание разности между входной величиной и первым эталоном.

Метод считывания подразумевает наличие 2n - 1 эталонов при «-разрядном двоичном коде. Входная

величина одновременно сравнивается со всеми эталонами. В результате преобразования получается параллельный код в виде сигналов на выходах 2™ - 1 схем сравнения (компараторов). Рассмотрим примеры АЦП, реализованных в микроэлектронном исполнении.

Схема АЦП последовательного счета с ЦАП в цепи обратной связи показана на рис. 6.12. По сигналу «Пуск» на вход счетчика начинают подаваться импульсы генератора тактовой частоты. По мере поступления этих импульсов растет входной код ЦАП и повышается напряжение на его выходе (ицап). Оно подается на компаратор вместе с иВх. В момент, когда указанные напряжения сравниваются, компаратор срабатывает и прекращает работу счетчика. На выходах счетчика устанавливается код, являющийся цифровым эквивалентом входного сигнала. Погрешность преобразования зависит от значения ступеней иЦап, погрешности в их формировании и ошибки компаратора в определении равенства ивх и ицап. Время преобразования непостоянно и зависит от иВх.

Одной из разновидностей АЦП последовательного счета, характеризующейся повышенной точностью, является преобразователь с промежуточным преобразованием во временной интервал с двойным интегрированием.

-ИИПИИПШПШИ

51 i J

Рис. 6.13. АЦП с двойным интегрированием:

а - функциональная схема; б - вре« менные диаграммы работы

Поясним принцип действия такого преобразователя, схема которого и временные диаграммы работы показаны на рис. 6.13. Импульс запуска через Т] открывает ключ K1 и ивх подается на вход интегратора Ин. Напряжение интегратора вместе с постоянным напряжением U0 подаются на входы компаратора СС. В момент t], когда иин становится равным U0, с СС подается сигнал на триггер Т3, он перебрасывается и открывает устройство совпадения, через которое на счетчик СТ2 начинают поступать импульсы тактовой частоты. Интегрирование ведется до момента tz, когда счетчик переполняется, сбрасывается в исходное состояние и выдает сигнал на триггеры Т] и Т2. При этом К] закрывается, а K2 открывается, и на вход интегратора подается Uon, имеющее полярность, обратную ивх. Напряжение на выходе интегратора начинает падать. В момент 1з, когда иИн станет равным ио, с компаратора поступает сигнал, который приводит Т12 и Т3 в исходное состояние. При этом Uon отключается от входа интегратора и работа счетчика прекращается. На нем будет записан код

(t-u и™ <*»-м

" --1=II т= *

*т(-ог1стиоп

Где Тт - период тактовой частоты; n - число разрядов в счетчике.

В рассмотренной схеме за счет использования одних и тех же узлов на обоих этапах интегрирования и Uon исключаются погрешности в формировании линейно-изменяющегося напряжения, ошибки в срабатывании компаратора, погрешности в стабильности источника тактовой частоты. К недостаткам преобразователя можно отнести невысокое быстродействие.

Рис. 6.14. АЦП поразрядного кодирования

Дня построения преобразователей с более высоким быстродействием используется метод поразрядного кодирования. Схема одного из вариантов подобного преобразователя приведена на рис. 6.14. При подаче импульса запуска триггер старшего разряда Тп устанавливается в состояние 1, а остальные триггеры (Tn i - Т1) - в О одновременно записывается 1 в старший разряд регистра сдвига. В первом такте работы на компаратор подаются UBx и U3n, снимаемое с выхода ЦАП и соответствующее 1 старшего разряда. Если UBS.>U3n, на выходе СС сигнала не будет и в старшем разряде (Тп) сохранится 1. Если ивх<иэп, то СС выдает сигнал, который через компаратор вернет Тп в состояние 0. Одновременно произойдет сдвиг 1 в регистре в (n - 1) разряд, что обеспечит подачу эталонного напряжения U3(n-1) с ЦАП на СС. Далее процесс преобразования идет аналогично. В результате преобразования UEX уравновешивается суммой эталонных напряжений, снимаемых с ЦАП

эталонное

где ai - коэффициенты 1 и 0 в разрядах выходного кода, снимаемого с триггеров Тп - Т1; U3i -напряжение ЦАП, соответствующее г-разряду.

В рассмотренном АЦП время преобразования постоянно и определяется числом разрядов и тактовой частотой ТПр=п/1"т. Погрешность преобразования зависит от ошибок ЦАП и чувствительности СС. Имеются более сложные модификации рассмотренного преобразователя, которые характеризуются повышенным быстродействием и точностью.

<ГЧ)лЛ (2"-z)ft\\ • • Л П

? "fl-Jr1

ffii

в*

УстМ

ум

Рис. 6.15. АЦП, построенный по методу считывания

Наибольшим быстродействием обладают преобразователи, построенные по методу считывания. Пример такого преобразования показан на рис. 6.15. В этом преобразователе 2n - 1 опорных напряжений формируются с помощью резистивного делителя. Каждое из опорных напряжений подается вместе с UBX на соответствующий компаратор. Срабатывают лишь те компараторы, у которых>U0ni. Результат сравнения через

фиксирующие триггеры подается на шифратор, преобразующий его в код. Преобразование производится за два такта, время преобразования 10 - 100 не. Недостаток этого преобразователя в большом числе компараторов, которое быстро возрастает с ростом числа разрядов n.