Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь-это шифратор спе­циального тина. Базовая структурная схема АЦП приведена на рис. 12.7. На его входе действует одно изменяющееся на­пряжение. Это напряжение в данном случае изменяется от 0 до 3В. С выхода АЦП снимаются двоичные сигналы.

АЦП преобразует аналоговый сигнал напряжения на входе в 4-разрядное двоичное слово. Как и в случае любого дру­гого шифратора, полезно точно определить ожидаемые зна­чения входных и выходных сигналов.

Таблица истинности (табл. 12.3) показывает, как должен работать АЦП.

Строка 1 соответствует нулевому напряжению (0 В) на входе. При этом выходы также находятся в нулевом состоянии (0000).

Строка 2 соответствует 0,2 В на входе. На выходе в этом случае двоичное число 0001. Обратите внимание, что каждый раз (в каждой новой строке) увеличение входного напряжения на 0,2 В приводит к увеличению двоичного чис­ла на выходе на 1.

И наконец, согласно строке 16, когда ко входу приложено максимальное напряжение, равное 3 В, на выходе мы имеем двоичное число 1111.

Обратите внимание, что таблица истинности для АЦП (табл. 12.3) получается в результате обращения таблицы истинности для соответ­ствующего ЦАП (табл. 12.1); входы и выходы меняются местами.

Таблица истинности для АЦП выглядит очень просто. Более сложной будет электронная схема, реализующая ука­занную в таблице истинности связь входных и выходных сигналов.

Структурная схема одного из возможных АЦП представлена на рис. 12.8. Этот АЦП содержит компаратор напряжений, логический элемент И, двоично-десятичный счетчик и ЦАП. Со всеми этими устройствами, за исключе­нием компаратора, вы уже знакомы.

Ко входу АЦП (слева на рис. 12.8) приложено аналого­вое напряжение. Компаратор «проверяет» величину напря­жения, поступающего от ЦАП. Если аналоговое входное напряжение на входе А компаратора больше напряжения на входе В, разрешается прохождение тактовых (счетных) им­пульсов на вход двоично-десятичного счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате постепенно увели­чивается цифровой сигнал (двоичное число) на его выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи с выхода 1ДАП не превысит аналоговое входное на­пряжение. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Предположим, что входное аналоговое напряжение равно 2В. В соответствии с табл. 12.3 счетчик сосчитает до 1010, затем остановится, сбросится в нулевое состояние (0000), и счет начнется снова.

Теперь рассмотрим более подробно работу АЦП (рис. 12.8). Предположим, что на выходе компаратора в точке X действует уровень логической 1. Будем также счи­тать, что двоично-десятичный счетчик находится в состоя­нии 0000. И наконец, предположим, что к аналоговому вхо­ду АЦП приложено напряжение, равное 0,55 В. Логическая 1 в точке X «открывает» логический элемент И, и первый импульс от тактового генератора появляется на синхрони­зирующем входе двоично-десятичного счетчика. Счетчик переходит в состояние 0001. Двоичная комбинация 0001 по­является на индикаторе (в правом верхнем углу рис. 12.8). Эта же двоичная комбинация подается на входы ЦАП.

Согласно табл. 12.1, двоичному числу 0001 на выходах ЦАП соответствует сигнал 0,2В на выходе. Это напряжение подается на вход В компаратора. Компаратор сравнивает сигналы, поступившие на его входы (0,55 и 0,2 В). Напряже­ние на входе А больше, поэтому компаратор вырабатывает на выходе сигнал логической 1. Эта логическая 1 «удержи­вает» логический элемент И в открытом состоянии, и он пропускает следующий тактовый импульс к счетчику. Со­держимое счетчика увеличивается на 1. На его выходах те­перь появляется двоичная комбинация 0010. Эта двоичная комбинация подается на входы ЦАП.

В табл. 12.1 двоичному числу 0010 на входах ЦАП со­ответствует сигнал 0,4В на выходе. Это напряжение пода­ется на вход В компаратора. Компаратор снова сравнивает напряжение на входе В с напряжением на входе А; напряже­ние 0,55 В на входе А по-прежнему больше, поэтому на вы­ходе компаратора опять вырабатывается сигнал логической 1. Логический элемент И по-прежнему открыт и позволяет следующему тактовому импульсу достичь счетчика. Содер­жимое счетчика увеличивается до 0011. Эта двоичная ком­бинация подается на входы ЦАП.

Далее в соответствии с табл. 12.1 двоичному числу 0011 на входах ЦАП сопоставляется сигнал 0,6 В на выходе. Этот сигнал подается на вход В компаратора. Компаратор снова сравнивает напряжение на входе В с напряжением на входе А, впервые напряжение на входе В оказывается боль­ше, и компаратор вырабатывает на выходе сигнал логиче­ского 0. Этот логический 0 «запирает» логический элемент И. Теперь ни один тактовый импульс не может достичь счетчика. Счетчик останавливается на двоичном числе 0011. Значит, аналоговому входному сигналу, равному 0,55В, соответствует двоичное число 0011. Из строки 4 табл. 12.3 видно, что 0,6В на входе соответствуют двоичному числу ООП на выходе. Наш АЦП «отработал» согласно таблице истинности.

Если бы входное аналоговое напряжение было равно 1,2В, то, согласно табл. 12.3, мы должны были бы полу­чить на выходе двоичное число 0110. До остановки по ко­манде компаратора счетчик «успел» бы сосчитать от 0000 до 0110. При входном аналоговом напряжении 2,8В мы должны были бы получить на выходе двоичное число 1110. Счетчик тогда сосчитал бы от 0000 до 1110. Обратите вни­мание, что для преобразования аналогового сигнала напря­жения в двоичный цифровой сигнал требуется некоторое время. Однако в большинстве случаев частота следования тактовых импульсов достаточно высока, так что эта вре­менная задержка не имеет существенного значения.

Вам теперь, по-видимому, стало ясно, почему мы снача­ла изучили ЦАП, а не АЦП. Рассмотренный АЦП с динами­ческой компенсацией довольно сложен, и для него требуется использовать ЦАП. Термин «динамическая компенсация» в названии данного преобразователя отражает наличие в схеме линейно нарастающего в процессе счета напряже­ния на выходе ЦАП, которое подается по цепи обратной связи к компаратору. Если вы начертите график изменения напряжения, поступающего на вход В компаратора, то он будет иметь пилообразную (кусочно-линейную) форму.

	Аналоговый вход	Двоичный выход
Вольты
D	C	B	A
Строка 1
Строка 2	0,2
Строка 3	0,4
Строка 4	0,6
Строка 5	0,8
Строка 6	1,0
Строка 7	1,2
Строка 8	1,4
Строка 9	1,6
Строка 10	1,8
Строка 11	2,0
Строка 12	2,2
Строка 13	2,4
Строка 14	2,6
Строка 15	2,8
Строка 16	3,0