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.
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 (Uцап). Оно подается на компаратор вместе с UВх. 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 UЦап, погрешности в их формировании и ошибки компаратора в определении равенства Uвх и Uцап. Время преобразования непостоянно и зависит от UВх.
Одной из разновидностей АЦП последовательного счета, характеризующейся повышенной точностью, является преобразователь с промежуточным преобразованием во временной интервал с двойным интегрированием.
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 Т1 открывает ключ K1 и Uвх подается на вход интегратора Ин. Напряжение интегратора вместе с постоянным напряжением U0 подаются на входы компаратора СС. В момент t1, когда Uин 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 Т1 и Т2. При этом К1 закрывается, а K2 открывается, и на вход интегратора подается Uon, имеющее полярность, обратную Uвх. Напряжение на выходе интегратора начинает падать. В момент tз, когда UИн станет равным Uо, с компаратора поступает сигнал, который приводит Т12 и Т3 в исходное состояние. При этом Uоп отключается от входа интегратора и работа счетчика прекращается. На нем будет записан код
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 Uвх 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 (Тп-1 — 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.>Uэn, на выходе СС сигнала не будет и в старшем разряде (Тп) сохранится 1.
Если Uвх<Uэп, то СС выдает сигнал, ко торый через компаратор вернет Тп в состояние 0. Одновременно произойдет сдвиг 1 в регистре в (n — 1) разряд, что обеспечит подачу эталонного напряжения UЭ(n-1) с ЦАП на СС. Далее процесс преобразования идет аналогично. В результате преобразования UЕХ уравновешивается суммой эталонных напряжений, снимаемых с ЦАП:
где ai — коэффициенты 1 и 0 в разрядах выходного кода, снимаемого с триггеров Тп — Т1; U3i — эталонное напряжение ЦАП, соответствующее г-разряду.
В рассмотренном АЦП время преобразования постоянно и определяется числом разрядов и тактовой частотой TПр=n/fт. Погрешность преобразования зависит от ошибок ЦАП и чувствительности СС. Имеются более сложные модификации рассмотренного преобразователя, которые характеризуются повышенным быстродействием и точностью.
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 UВх> >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.
Рис. 6.16. Компаратор напряжения 240СА1
Как видно из рассмотренных схем преобразователей, нашедших применение на практике, в их состав входят различные аналоговые и цицЬровые узлы. В настоящее время отечественная промышленность выпускает для построения АЦП наборы микросхем. Из наборов можно строить различные по точности и быстродействию преобразователи. Для построения аналоговых частей преобразователей можно использовать микросхемы серий 240, 252, а также 228, 265 и др.
Серия 240 включает кроме цифровых микросхем набор схем, предназначенных для построения десятиразрядных АЦП с диапазоном входных напряжений +5 В и временем преобразования до 100 икс. В серию входят шесть типов аналоговых микросхем: 240СА1, 240УД1, 240КН1, 240КН2, 240КНЗ, 240ЕН1.
240СА1 (рис. 6.16) — компаратор, который предназначен для сравнения двух напряжений, имеет следующие параметры: разрешающая способность не ниже 2 мВ, входное сопротивление 1 МОм, напряжение смещения нуля на входе менее 2 мВ, максимальное значение сравниваемых напряжений 5 В, ток нагрузки до 12 мА, скорость нарастания выходного напряжения не менее 10 В/мкс.
240УД1 рис. 6.17,а — операционный усилитель. Имеет коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи не ниже 8000 в полосе частот более 100 кГц, входное сопротивление 1 МОм, входной ток не более 1,5 мкА, напряжение смещения нуля на входе до 2 мВ, максимальное выходное напряжение 5 В, ток нагрузки не более 5 мА, скорость нарастания выше 2,1 В/мкс. Схема включения усилителя показана на рис. 6.17,6.
240КН1, 240КН2 — аналоговые ключи, соответственно на 1 и 3 канала, предназначенные для подключения на выход положительного или отрицательного эталонного напряжения в зависимости от входных сигналов.
Принципиальная схема одного канала ключа 240К.Н2 приведена на рис. 6.18. При подаче на вывод 20 потенциала 1, а на вывод 17 — 0, на выводе 35 формируется положительное эталонное напряжение, а на выводе 3 — напряжение, близкое к 0. Если сигналы на выводах 20 и 17 поменять на противоположные, то на выводе 3 появится отрицательное эталонное напряжение, а на выводе 35 — напряжение, близкое к 0.
Погрешности передачи эталонных напряжений при переклюпе-нии (+0,5 В) и токах нагрузки от 0 до 0,5 мА составляют +2 5 (240КН1А), ±5 (240КН1Б) и ±10 мВ (240КН2).
240КНЗ — четырехразрядный коммутатор, предназначенный для подключения на выход напряжений +5 В в зависимости от уровней управляющих сигналов. Принципиальная схема одного разряда коммутатора показана на рис. 6.19.
При подаче на вывод 18 потенциала 1, а на вывод 19 — 0 ключ открывается и сигнал с вывода 17 проходит на вывод 20. При смене потенциалов на выводах 18 и 19 ключ закрывается и цепь передачи сигналов между выводами 17 и 20 разрывается. Коммутатор имеет остаточное напряжение на открытом ключе не более 1 мВ при сопротивлении менее 100 Ом, ток утечки в закрытом состоянии менее 100 нА, время включения не более 1 мкс.
240ЕН1 (рис. 6.20,а) — стабилизатор напряжения ±5 В, обеспечивающий нестабильность выходного напряжения не более 0,06 %, ток нагрузки по каждому из двух выходов 25 мА. Источники опорных напряжений собраны на внешних стабилитронах, выходные напряжения регулируются резисторами R3, Rs (рис. 6.20,6).
Рис. 6.17. Операционный усилитель 240УД1
Микросхемы серии 240 работают от источников питания +9 В+10 % и ±5 В+10 %. Эта серия разработана для построения АЦП поразрядного кодирования и последовательного счета с двойным интегрированием. В качестве примера на рис. 6.21 показана структурная схема АЦП поразрядного кодирования, построенного на базе серии 240 с использованием матрицы 301НС1.
Рис. 6.18. Один канал аналогового ключа 240КН2
Добавление резнстивной матрицы в состав серии, например 301НС1, значительно расширяет ее функциональные возможности — матрица может быть использована для построения АЦП других типов, а также ЦАП.
Рис. 6.19. Один разряд коммутатора 240КНЗ
Другим набором микросхем, предназначенным для построения АЦП (и ЦАП), является серия 252, состоящая из семи типов микросхем: 252СА1, 252УД1, 252КН1, 252ПА1, 252ПА2, 252ПАЗ, 252ПН1.
Рис. 6.20. Стабилизатор напряжения 240ЕН1: о — принципиальная схема; б - схема включения
252СА1 — три компаратора (рис. 6.22), имеющие разрешающую способность не ниже 2 мВ, скорость нарастания выходного напряжения более 30 В/мкс при напряжении входного сигнала 10 мВ. Компаратор может включаться как с высоким входным сопротивлением через эмиттерные повторители Т1, Т$ (выводы 2 и 3), так и с низким — при подаче сигналов на базы транзисторов Т2, Г4 (выводы 1, 4).
252УД1 — два операционных усилителя (рис. 6.23) со следую щими параметрами: коэффициент усиления не менее 7000 при полосе частот до 1 МГц, входное сопротивление до 0,9 МОм, входной ток не более 0,1 мкА, напряжение смещения нуля менее 3 мВ, скорость нарастания выходного напряжения до 5 В/мкс. За счет изменения параметров внешних элементов R1, R2, С1, C2 (рис. 6.23,6) можно изменять частотную зависимость коэффициента усиления и получить полосу частот до 5,5 МГц (при малом сигнале).
252КН1 — четырехканальный коммутатор (рис. 6.24), предназначенный для коммутации сигналов с частотой до 60 МГц, имеет коэффициент передачи сигнала 0,8, отношение коэффициентов передачи открытого и закрытого ключа — 40 дБ, максимальный коммутируемый ток 2 мА. Коммутатор работает от источников питания±6 В+10 %. Управляющие сигналы подаются на выводы 2, 5, 8, 11, при этом коммутируются цепи соответственно между выводами 4 — 25, 7 — 22, 10 — 19, 13 — 16.
Остальные микросхемы, входящие в серию 252, были описаны в § 6.1.
Основные направления развития АЦП — повышение быстродействия основных . узлов, в частности, компараторов до 10 — 15 не, повышение их точности до 0,05 — 0,005 %, увеличение разрядности преобразователей до 12 — 16, использование микропроцессоров в преобразователях. Заметим, что одновременная реализация высоких требований по точности и быстродействию затруднена, поэтому создаваемые микроэлектронные АЦП (как и ЦАП) можно разделить на три основные группы — общего применения, быстродействующие и прецизионные.
Рис. 6.21. Многоканальный десятиразрядный АЦП поразрядного кодирования
Рис. 6.22. Один канал компаратора напряжения 252СА1:
а — принципиальная схема; б — схема включения
Более подробно сведения о ЦАП и АЦП на микросхемах можно получить в [17, 29, 30, 33].
Рис. 6.23. Один канал ОУ 252УД1:
а — принципиальная схема; б — схема включения
Рис. 6.24. Коммутатор 252КН1
