Название: Вычислительная техника (Захаров Н. Г.)

Жанр: Энергетический

Просмотров: 1538


5.2. аналого-цифровые преобразователи

 

В основе построения преобразователей напряжение-код (ПНК) лежат в основ- ном три известных принципа преобразования, определяющих алгоритм функциони- рования и структуру соответствующих устройств последовательного счета, поразряд- ного кодирования, считывания. Согласно этой классификации рассмотрим три основ- ные разновидности схем ПНК.

Принцип последовательного счета реализуется с помощью схемы, представ-

 

ленной на рис. 5.3.

 

 

 

t н        Q

S          T          &

 

R

 

 

R          CT       1

C         ... n

N

 

...

 

 

Uвх

=  =

 

 

G         ПКН    ...

 

 

Рис. 5.3. Функциональная схема АЦП последовательного счета

Он состоит в сравнении входного напряжения Uвх с последовательно нарас- тающим эталонным напряжением Uэ(t), представляющим собой сумму «квантов» U, которые определяют погрешность преобразования.

Ступенчатое напряжение Uэ(t) формируется с помощью ПКН и двоичного счетчика СТ, последовательно изменяющего свое состояние, начиная от момента об- нуления импульсом tн, соответствующим началу операции преобразования. В момент совпадения эталонного напряжения Uэ(tk) = N U с входным напряжением Uвх (с точ- ностью до «кванта» U) схема сравнения вырабатывает импульс, поступающий на вход R триггера Т, и останавливающий счетчик путем подачи запрещающего сигнала с выхода Q триггера на схему совпадений, пропускающую на счетчик импульсы так- тового генератора G. Этот момент времени соответствует окончанию операции пре-

образования (импульсы tk) на временной диаграмме работы схемы (рис. 5.4).

 

 

t

 

С

 

t

 

Uвх      Uэ

 

U

tк         t

 

Тпр      t

 

Рис. 5.4. Временная диаграмма работы АЦП последовательного счета

 

Погрешность преобразования в такой схеме определяется значением U, кото- рое, в свою очередь, зависит от точности ПКН и чувствительности схемы сравнения. Диапазон преобразования определяется разрядностью счетчика и ПКН, т. к. макси- мально допустимое значение входного напряжения Umax = U(2n – 1)  U2n.

Основным недостатком ПНК, использующих принцип последовательного сче- та, является сравнительно большое время преобразования, зависящее от входного на- пряжения, быстродействия счетчика и ПКН. В предельном случае, когда входное на- пряжение максимально, т. e. Uвх  = U2n, а время переключения счетчика t, полное время преобразования Тпр, характеризующее быстродействие ПНК, определяется как Тпр = t2n.

Указанный недостаток в значительной мере компенсируется тем, что подобные

 

схемы  являются  наиболее  простыми  из  всех  возможных  разновидностей  ПНК. Поэтому такие ПКН широко применяются на практике, когда требование быстродей- ствия не является определяющим.

Принцип поразрядного кодирования состоит в формировании цифровым спосо- бом эталонного напряжения Uэ путем последовательного приближения его к входно- му напряжению Uвх. Этот принцип поясняется структурной схемой (рис. 5.5, а) и гра- фом переходов (рис. 5.5, б), который отражает алгоритм управления состояния реги- стра памяти (РП), необходимый для реализации метода последовательного прибли-

жения эталонного напряжения, снимаемого с выхода ПКН.

 

 

 

Uвх

о

 

 

t

ГТИ

 

УС

 

УУ       РП

 

 

N

 

ПКН

 

а

 

100

 

010      110

 

001

011

101

111

 

 

000      001

010

011

100

101      110

111

 

 

 

 
б

 

Рис. 5.5. Структурная схема (а) и граф переходов (б) АЦП поразрядного кодирования

Узлы графа характеризуют состояние регистра РП, т. е. содержащееся в нем двоичное число в каждый момент сравнения напряжений Uэ и Uвх. Направление пере- хода задается устройством управления (УУ) в зависимости от выходного сигнала уст- ройства сравнения (УС). В начальный момент времени tн (момент запуска схемы) ре- гистр устанавливается в состояние 10 ... 0 ( 100 – для 3-разрядного АЦП), при кото- ром значение Uэ  определяется весом старшего разряда выходного двоичного числа N. Затем  осуществляется  n  тактов  последовательного  приближения  напряжении  Uэ к значению входного напряжения Uвх.

На каждом такте возможно два исхода, два управляющих воздействия, изме-

 

няющих состояния регистра (см. обозначения на ветвях графа): если UЭ < UВХ, то про- изводится установка очередного младшего разряда в «1» при сохранении состояния всех предшествующих старших разрядов; если UЭ > UВХ, то установка младшего раз- ряда в «1» сопровождается сбросом предыдущего старшего разряда в «0». В результа- те, по истечении n тактов управления (где n-число разрядов регистра), эталонное на- пряжение UЭ будет приближено к Uвх с точностью до вклада самого младшего разря-

да, т. е.

 

n 1

UЭ =  a i U эi

i0

 

 

 UВХ,

 

где Uэi = Umax/2n-i – вклад  i-го разряда в напряжение Uэ на выходе ПКН, причем Umax характеризует максимальное преобразуемое напряжение; Uэ0 = Umax/2n – погрешность преобразования (т. е. вклад младшего разряда).

Преимуществом рассмотренного принципа преобразования по сравнению с принципом последовательного счета является значительно меньшее время преобразо- вания, которое в данном случае определяется как Тпр = n t, где t – длительность од- ного такта управления, задаваемая генератором тактовых импульсов ПНК, которое заключено в устройстве управления. Функциональная схема ПНК с поразрядным ко- дированием представлена на рис. 5.6.

В этой схеме последовательная установка разрядов основного регистра памяти в единичное состояние осуществляется c помощью управляющего регистра сдвига, на вход которого записывается «1» в момент начала преобразования tн.

 

 

 

G         V         RG

&                     C S      T

 

R          o

 

1

 

2

 

... n

 

&

 

&

 

&

 

Uвх      = = Uэ

 

Sn

Rn

Sn-1

1          Rn-1

...

 

S1

1          R1

 

ПКН

 

...

N

 

...

 

 

Рис. 5.6. Функциональная схема АЦП поразрядного кодирования

 

В этот же момент происходит установка в «1» старшего разряда основного ре- гистра и обнуление всех остальных его разрядов. На каждом такте преобразования (задаваемом генератором G) сигнал с выхода схемы сравнения, вырабатываемый в случае превышения эталонным напряжением входного (т. е. при Uэ  > Uвх), проходит только через ту схему совпадений (И), на второй вход которой подается разрешаю- щий сигнал с одного из разрядов сдвигающего регистра. При этом происходит сброс соответствующего разряда основного peгистра в нулевое состояние. Затем происхо- дит сдвиг разрешающего сигнала на вход следующего (младшего) разряда, который в момент переключения этого сигнала (т. е. в момент сдвига) устанавливается в 1. Если на данном такте управления Uвx > Uэ, то сигнал сброса не вырабатывается схемой сравнения и соответствующий разряд регистра остается в единичном состоянии. В течение n тактов происходит последовательная установка в «1» или «0» всех разрядов регистра в соответствии с графом переходов. Операция преобразования заканчивается в момент перехода управляющего единичного сигнала в последний разряд сдвигаю- щего  регистра, так как при этом триггером Т вырабатывается сигнал запрета на схе- му совпадений, пропускающую тактовые импульсы на вход регистра сдвига.

Двоичное число N, пропорциональное входному напряжению Uвх, снимается в виде параллельного кода (аn-1 аn-2 … а1 а0) с выходного регистра после окончания пре- образования.

Повысить скорость преобразования в ПНК можно также, используя параллель- ный набор возможных значений эталонного напряжения вместо их последовательно- го чередования, характерного для обоих рассмотренных принципов преобразования. Это приводит к так называемому параллельному принципу преобразования, именуе- мому также принципом считывания.

По принципу считывания схема ПНК (рис. 5.7) содержит m резистивных дели- телей эталонного напряжения и столько же схем сравнения. Число m определяется количеством дискретных значений преобразуемого напряжения в полном диапазоне преобразования, т. е. если максимальное значение напряжения Uэ, а допустимая по- грешность преобразования U, то m = Uэ/U–1. Напряжения эталонных делителей удовлетворяют соотношению Uэi = Ui/(m+l) = Ui для всех i = [1, m]. Следовательно, если напряжение Uвх  превышает значение Uэi, то происходит срабатывание тех схем сравнения, на которые подаются эталонные напряжения Uэi, Uэi-1, ... , Uэ1, так как все- гда Uэi > Uэi-1 > ... > Uэ1. Выходные сигналы схем сравнения устанавливают в единич- ное состояние соответствующие элементы m-разрядного запоминающего регистра RG (предварительно все элементы регистра устанавливаются в 0 в момент начала преоб-

разования tн).

 

Uэ        о          N

mR       (m  1)R            R          = =

...

 

= =

S          RG

1          1

 

R1

 

S

2

2

R2

1          X/Y      1

 

2          2

 

 

...

...

 

= =

...

 

S

m

...

...         ...

...

R          2R

mR

 

о  Uвх

 

Rm

о tн

m         m         n

 

 

Рис. 5.7. Функциональная схема АЦП по методу считывания

Таким образом, в регистре RG образуется число, пропорциональное Uвх, в виде единичного позиционного кода. Обычно выполняется операция преобразования этого кода  в  параллельный  двоичный  код.  Для  этого  в  схему  включен  кодовый преоб- разователь,    осуществляющий    преобразование    m-разрядного    единичного    кода в n-разрядный двоичный код при условии m = 2n – 1.

Рассмотренный параллельный преобразователь обладает теоретически пре- дельным быстродействием, так как входное напряжение за один шаг преобразования сравнивается с полным набором эталонных дискретных значений на всем интервале изменения преобразуемого напряжения. Длительность такой операции преобразова- ния определяется временем срабатывания сравнивающих устройств и быстродействи- ем цифровых элементов, составляющих регистр и кодовый преобразователь Х/Y.

Однако это преимущество параллельных ПНК достигается ценой больших аппаратурных затрат, так как количество прецизионных делителей напряжения, схем сравнения и элементов памяти в таких ПНК растет пропорционально 2n, если n – чис- ло  двоичных разрядов преобразователя. Поэтому на практике параллельный принцип преобразования применяется только для построения быстродействующих ПНК малой разрядности.

 

Контрольные вопросы

 

1. Определить соотношение быстродействия ЦАП с двоично-взвешенными ре-

 

зистивными цепями и ЦАП с резистивной цепью типа R-2R.

 

2. Почему ЦАП по методу суммирования токов имеет наибольшее быстродей-

 

ствие?

 

3. Во сколько раз можно повысить быстродействие АЦП последовательного счета и поразрядного кодирования при уменьшении числа разрядов с 12 до 8?

4. Почему АЦП по методу считывания имеет сравнительно небольшое число разрядов?