Компьютерная схемотехника (стр. 24 из 32)
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, которые преобразуют входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЦВМ и другими цифровыми устройствами. АЦП широко применяются в устройствах дискретной автоматики, цифровых системах управления для преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровую форму, в системах отображения информации для цифровой индикации, в системах передачи данных и многих других областях техники.
Различные по физической природе сигналы, снимаемые с датчиков и характеризующие контролируемый процесс, сначала преобразуются в электрический сигнал, а затем уже с помощью преобразователей “напряжение-код” в цифровые. На входе АЦП, как правило, присутствует постоянное или медленно изменяющееся напряжение, а с выхода снимаются данные в параллельном двоичном коде.
Методы построения АЦП делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Классификация типов АЦП и основные принципы их построения приведены в [24, 25, 36].
Различным методам построения АЦП соответствуют устройства, различающиеся по точности, быстродействию, помехозащищенности, сложности реализации и т.д. Одним из наиболее распространенных является метод последовательного приближения, применяемый в АЦП, ориентированных на использование в микропроцессорных системах (МПС), например, К1113 ПВ1; К572 ПВ3 [24, 25]. На рисунке 10.11 приведена упрощенная структурная схема АЦП последовательного приближения.
Рисунок 10.11
АЦП содержит регистр последовательного приближения (РПП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), аналоговый компаратор (АК) и генератор тактовых импульсов (ГТИ). После поступления импульса ПУСК на выходе старшего (n-1)-го разряда регистра последовательного приближения (РПП) появляется напряжение логической 1, а на остальных его выходах – логические нули. На выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) формируется напряжение Uцап»0,5*Uвхмах, которое на входах аналогового компаратора сравнивается со входным аналоговым напряжением Uвх. Аналоговый компаратор включает собственно аналоговый компаратор (САК) на микросхеме операционного усилителя (ИМС ОУ), схему формирования уровней (СФУ), которая преобразует разнополярные импульсы в цифровой сигнал, и инвертор. Если входное напряжение Uвх больше напряжения, снимаемого с выхода ЦАП, то на выходе САК появляется отрицательный импульс. СФУ преобразует его в нулевой цифровой сигнал. При этом с выхода инвертора АК снимается логическая единица, которая подается на вход D РПП. При поступлении на вход С РПП импульса от ГТИ сохраняется логическая 1 в старшем (n-1)-ом разряде и появляется 1 в (n-2) разряде. Если Uвх<Uцап, то с выхода АК снимается логический 0. Импульсом на синхровходе содержимое старшего (n-1) разряда РПП обнуляется, а в (n-2)-й записывается единица. Если после первого сравнения на выходах двух старших разрядов РПП содержатся две единицы (при первом сравнении Uвх>Uцап), то выходной сигнал ЦАП: Uцап»(0,5+0,25)Uвх.мах. На компараторе Uвх вновь сравнивается с этим напряжением и т.д. Так устанавливаются все разряды на выходе РПП до самого младшего. После выполнения последнего Nр-го сравнения, где Np – число разрядов выходного кода АЦП, цикл формирования выходного кода заканчивается. Состояние выходов РПП соответствует цифровому эквиваленту входного напряжения. Если, например, Uвх=Uвх. max, то комбинация выходного кода равна 111...11 (все единицы). В рассматриваемом АЦП время преобразования постоянно и определяется числом разрядов Np выходного двоичного кода и тактовой частотой fгти=1/Tгти; tпрб»Np*Tгти. Рассмотренные АЦП обладают достаточно высоким быстродействием при относительно простой структуре, поэтому находят широкое применение.
В АЦП осуществляется квантование (дискретизация) по уровню и времени (рисунок 10.12).
Рисунок 10.12
На вход преобразователя поступает аналоговое напряжение Uвх, которое преобразуется в дискретную величину, определяемую в фиксированные моменты времени ближайшим к непрерывной величине уровнем квантования.
На выходе АЦП каждому дискретному значению соответствует комбинация двоичного кода, число разрядов которого обозначим буквой Np. Величина Np зависит от числа дискретных значений Nд на выходе АЦП, включая нулевое. Выбор Np производится в соответствии с соотношением:
(10.1)
Число дискретных значений (уровней квантования) зависит от погрешности квантования по уровню.
Абсолютная погрешность квантования по уровню:
(10.2)
где DU – величина шага квантования по уровню, равная
(10.3)Из приведенного соотношения следует, что максимальная абсолютная погрешность равна половине шага квантования по уровню. Относительная погрешность квантования по уровню:
.(10.4)
В приведенной формуле из Nд вычитается единица, т.к. одним из дискретных значений является нулевое. Отсюда требуемое число дискретных значений, которое отражает нашу непрерывную функцию с заданной точностью определяется из выражения:
(10.5)
Например, при d отн £0,2% Nд должно быть не менее 251. Принимая Nд=256 определяем, что число разрядов Np в этом случае должно быть равно 8 (28=256). Если входная непрерывная величина изменяется, например, в диапазоне от 0 до 2,55 В, то величина шага квантования по уровню при Nд=256 равна DU=10 мВ; dабс. £5 мВ; dотн. £ 50/255 < 0,2%.
При проектировании АЦП важное значение имеет выбор величины шага квантования по времени Dt=Т. Значение Т определяет требуемое быстродействие АЦП и тракта обработки информации.
По теореме Котельникова значения Dt=T должно удовлетворять выражению:
,(10.6)где fмах - частота высшей гармоники спектра входного сигнала АЦП.
Физически это выражение следует трактовать следующим образом: на один период максимальной гармоники входного аналогового сигнала необходимо взять не менее двух отсчетов при переходе к дискретной величине.
10.2.2.1 Описание микросхемы К1113 ПВ1
Микросхема К1113 ПВ1 (рисунок 10.13) представляет собойфункционально-законченный АЦП последовательного приближения с временем преобразования £30 мкс, рассчитанный на входные напряжения (0...10,23)В (униполярный сигнал) или (-5,12 ...+5,11)В (биполярный сигнал).
Переключение диапазонов входных напряжений производится по входу LZ. Если LZ=0, то преобразуются униполярные входные сигналы от 0 до 10,23В, если же LZ=1, то преобразователь работает в двухполярном режиме (Uвх = [-5,12...+5,11] В). Коэффициент передачи АЦП Кпер= 
.
Если использовать не все десять разрядов выходного двоичного кода рассматриваемого АЦП, то существует несколько вариантов его подключения. Например, если Np = 8, то можно подключить восемь выходов АЦП, соответствующих младшим разрядам. Остальные два разряда не подключаются. В этом случае коэффициент передачи Кпер= 
, а Uвх.max=10∙255=2550мВ=2,55В. Если использовать восемь выходов АЦП, соответствующих старшим разрядам, то Кпер= 
, а Uвх.max=40∙255=10,2В.
Если Np=7, и выходной ДК снимается с семи старших выходов, то Кпер= 
, а Uвх.max=80∙127=10,16В.
Рисунок 10.13
Процесс аналого-цифрового преобразования осуществляется при нулевом сигнале на входе START(СТАРТ) (рисунок 10.5). Входной аналоговый сигнал подается на вход AIN. По окончании преобразования на выходе READY (ГОТОВНОСТЬ) появляется логический нуль. Одновременно с этим сигналом на информационных выходах D0...D9 устанавливается цифровой двоичный эквивалент входной аналоговой величины. Уровни выходных цифровых сигналов соответствуют уровням цифровых ТТЛ-схем. Для сброса текущего выходного кода преобразователя необходимо подать единицу (минимум на 2мкс) на вход START. В процессе сброса и преобразования на выходе READY присутствует логическая единица, а кодовые выходы АЦП находятся в высокоимпедансном состоянии. Сказанное отображают временные диаграммы работы АЦП, приведенные на рисунке 10.5. Для повышения точности преобразования АЦП имеет два отдельных земляных вывода: аналоговая земля (GNDA) и цифровая земля (GNDD). Разность потенциалов между ними должна быть £200мВ. Регулировку чувствительности АЦП можно производить с помощью переменного резистора (100...200 Ом), включаемого между источником входного сигнала Uвх и аналоговым входом AIN АЦП (рисунок 10.4). Для регулировки смещения нуля в пределах +1/2 значения младшего значащего разряда (МЗР) можно включать переменный резистор (5...50 Ом) между выводом GNDA АЦП и внешней землей.