АЦП поразрядного взвешивания

АЦП

Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно-изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов.

Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:

· выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во времени,

· квантование (округление преобразуемой величины до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени значения аналоговой величины по уровню,

· кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.

Основные параметры АЦП делятся на статистические и динамические.

К статистическим относятся:

· вид преобразуемой величины: напряжение, ток и т.д.,

· диапазон изменения входных величин,

· разрядность,

· абсолютная разрешающая способность,

· абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы

· нелинейность преобразования

К динамическим параметрам относится

· максимальная частота преобразования fпр.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся на

· АЦП параллельного преобразования,

· АЦП поразрядного взвешивания,

· следящие АЦП,

· интегрирующие АЦП и др.

АЦП поразрядного взвешивания

Рассмотрим АЦП, выполненное на ИС К1113ПВ1.

ИС предназначена для преобразования однополярного или биполярного аналогового напряжения (U_вх=0…10В или Uвх= -5В…+5В) в десятиразрядный двоичный код.

Нелинейность преобразования ±0,1%, время преобразования 30мкс.

Для работы ИС требуется два источника питания +5В и –15В.

В микросхему встроен внутренний источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов.

Запуск АЦП производится лог."0".

Цифровая информация с выходных шин снимается через 30мкс после поступления сигнала "Гашение-преобразование". Tпреобр=30мкс.

АЦП параллельного преобразования

Реализуют метод непосредственного считывания и являются самыми быстродействующими.

Рассмотрим принцип работы на примере микросхемы К1107ПВ1. Микросхема имеет 6 разрядов и обеспечивает быстродействие до 20 МГц.

Устройство содержит делитель, образованный резисторами R₁…R₆₄, 64 компаратора К₁…К₆₄, преобразователь кода и регистр.

На входы компараторов поступают входной сигнал Ux и напряжение с делителя.

На выходах компараторов формируется 64-х разрядный единичный код.

Число единиц в нем равно числу уровней квантования.

Полученный единичный код поступает на вход преобразователя кода, в котором он преобразуется в 6-ти разрядный двоичный код.

Полученный двоичный код записывается в регистр и выдается на выходные шины.

В данном АЦП время преобразования занимает один такт.

Интегрирующие АЦП

Относятся к медленнодействующим преобразователям.

Принцип их действия основан на преобразовании аналоговой величины во временной интервал t_x и формировании число-импульсного (единичного) кода путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты f₀.

Число-импульсный код поступает на счетчик, на выходе которого формируется цифровой код.

Максимальное время преобразования зависит от разрядности АЦП.

Погрешность интегрирующего АЦП определяется изменением наклона пилообразного напряжения, которое определяется постоянной времени RC генератора пилообразного напряжения.

Под воздействием внешних факторов, особенно температуры, постоянная времени, а значит, наклон пилообразного напряжения меняется, что приводит к значительным погрешностям преобразования. Поэтому в настоящее время для построения интегрирующих АЦП используют принцип двойного интегрирования.

Следящие АЦП

В отличие от АЦП поразрядного взвешивания имеют в своем составе вместо регистра последовательных приближений реверсивный счетчик.

Управление реверсивным счетчиком производится по управляющей шине "±" в зависимости от соотношения сигналов U_x и U_м. При изменении входного сигнала U_x, изменяется код реверсивного счетчика и напряжение с матрицы U_м "следит" за U_x.

ЦАП

Цифро-аналоговый преобразователь предназначен для преобразования входной величины, представленной числовым кодом, в эквивалентную аналоговую величину.

В ЦАП в качестве входного сигнала используются цифровые коды, а выходным сигналом является напряжение.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании эталонных значений напряжений (токов), соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании участвуют только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит "1".

В этом случае входное напряжение определяется как:

· где U₀ — опорное (эталонное) напряжение,

· k — коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значение 0 или 1,

· n — разрядность входного кода.

Основные характеристики ЦАП подразделяются на

· статические

· динамические.

К статическим параметрам относятся:

· разрядность (n),

· абсолютная разрешающая способность ЦАП - т.е. минимальное значением изменения сигнала на выходе, обусловленное изменением входного кода на единицу (U0/2n),

· абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы Представляет собой отклонение значения выходной напряженности от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразованния,

· нелинейность преобразования. Это отклонение реальной характеристики преобразования от расчетной (линейной).

Из динамических характеристик наиболее существенными являются:

· время установления выходного сигнала tуст, - Это интервал времени от подачи входного кода до появления выходного напряжения,

· максимальная частота преобразования fпреобр.

При построении ЦАП в качестве эталонов используются токи или напряжения.

Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования токов.

ЦАП с суммированием токов

Данное устройство содержит n источников тока, которые подключаются с помощью ключей S к общей нагрузке R_н.

На общей нагрузке Rн будут протекать только токи тех разрядов, в которых значение цифры- единица.

Если нагрузка R_н постоянна, то выходное напряжение U_вых пропорционально входному коду.

На практике для получения выходного напряжения, пропорционального входному коду, в качестве нагрузки используется операционный усилитель (ОУ), играющий роль преобразователя тока в напряжение.

Выходное напряжение в ОУ прямо пропорционально выходному току ЦАП и не зависит от сопротивления выходной нагрузки.

Недостатком рассмотренной схемы ЦАП является широкий диапазон величин сопротивлений в резистивной матрице для формирования разрядных токов.

Поэтому в современных ЦАП используются резистивные матрицы типа R-2R.

ЦАП выпускаются в виде ИС, обычно с внешним источником Uоп и ОУ.

Микросхема К572ПА1 представляет собой резистивную матрицу на 10 разрядов и токовые ключи.

Входы ОУ подключаются к выходным шинам J1, J2,

выход ОУ к входу Y.

Сопротивление обратной связи R_ooc=R находится внутри кристалла, что увеличивает стабильность работы ЦАП.

Микросхема К572ПА2 имеет разрядность –12 и содержит два дополнительных двенадцатиразрядных регистров для хранения входной информации.

Прием в регистры производится подачей сигнала 1 на входы С1 и С2.

К572ПА1(а) и К572ПА2(б)