Аналого - цифрові перетворювачі

 

 

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є пристроями, що приймають вхідні аналогові сигнали та генерують відповідні їм цифрові сигнали, що придатні для обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями.

Процедура аналого-цифрового перетворення безперервних сигналів у цифрову форму – є перетворення безперервної функції часу U (t), що описує вхідний сигнал у послідовність чисел {U’ (tj) }, j = 0, 1, 2, …, що віднесені до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називається дискретизацією і є перетворенням безперервної функції часу у безперервну послідовність {U (tj) }. Друга називається квантуванням і є перетворенням безперервної послідовності у дискретну {U’ (tj) }.

Найбільш поширеною формою дискретизації є рівномірна, у основі якої знаходиться теорема відліків. Згідно з цією теоремою у якості коефіцієнтів aj потрібно використовувати миттєві значення сигналу U (tj) у дискретні моменти часу tj = jt, а період дискретизації вибирати з умови

t = 1/2Fm,

де Fm – максимальна частота спектру перетворюваного сигналу.

Але спектри реальних сигналів прямують до нуля лише асимптотичне. Застосування рівномірної дискретизації до таких сигналів призводить до виникнення у системах обробки інформації специфічних високочастотних спотворень. Для уникнення таких спотворень потрібно або підвищувати частоту дискретизації, або використовувати перед АЦП фільтр нижніх частот, що звужує спектр початкового сигналу перед його аналого-цифровим перетворенням.

Для достатньо вузькосмугових сигналів операцію дискретизації можна виконати за допомогою самих АЦП та сполучити її з операцією квантування. У результаті при роботі зі змінними сигналами виникають специфічні спотворення, для оцінки яких вводять поняття апертурного часу.

Апертурний час – час, за який зберігається невідповідність між значенням вибірки та часом, до якого вона відноситься. За апертурний час виникає амплітудна помилка, яку називають апертурною помилкою.

Звичайно для оцінки апертурної помилки використовують синусоїдальний випробувальний сигнал U (t) = Umsint, для якого максимальне відносне значення апертурної помилки

Ua/Um = ta,

як це показане на рис. 1

 

Рис. 1. Апертурна помилка

 

Якщо прийняти, що для N-розрядного АЦП з розділом 2-N апертурна помилка не повинна перевищувати шагу квантування, то між частотою сигналу, апертурним часом ta та відносною апертурною помилкою має місце співвідношення

1/2N = ta.

Для забезпечення дискретизації синусоїдального сигналу з частотою 100 кГц та помилкою 1% час перетворення повинен бути 25 нс. У той же час за допомогою такого АЦП можна перетворювати сигнали зі смугою частот до 20 МГц. Таким чином, дискретизація за допомогою самого АЦП призводить до суттєвого розходження між швидкодією АЦП та періодом дискретизації. Щоб позбавитись цього використовують пристрої вибірки-збереження.

 

 

Ця класифікація показана на рис. 2.

 

Рис. 2. Класифікація аналого-цифрових перетворювачів

 

В основу класифікації покладена ознака що вказує на те, як у часі розгортається процес перетворення аналогової величини у цифрову. Операції квантування та кодування можуть здійснюватись за допомогою або послідовної, або паралельної, або послідовно-параллельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

 

 

АЦП цього типу здійснюють квантування сигналів одночасно за допомогою набору компараторів, що включені паралельно джерелу вхідного сигналу. На рис. 3 показана реалізація паралельного методу АЦ-перетворення для 3-розрядного числа.

За допомогою трьох війкових розрядів можна передати вісім різних чисел, включаючи нуль. Для цього потрібні сім компараторів. Сім відповідних еквідистантних опорних напруг утворюються за допомогою резистивного подільника.

Якщо прикладена вхідна напруга не виходить за межі діапазону від 5h/2 до 7h/2, де h = Uоп/7 – квант вхідної напруги, що відповідає одиниці молодшого розряду АЦП, то компаратори з 1-го по 3-й встановлюються у стан „1”, а компаратори з 4-го по 7-й – у стан „0”. Перетворення цієї групи кодів у 3-значне двійкове число виконує логічний пристрій, що називається пріоритетним шифратором.

 

Рис. 3. Паралельний перетворювач для 3-розрядного числа

 

Діаграма стану шифратора наведена у табл. 1.

 

Таблиця 1

Вхідна напругаСтан компараторівВиходи

Uвх/hК7К6К5К4К3К2К1Q2Q1Q0

00000000000

10000001001

20000011010

30000111011

40001111100

50011111101

60111111110

71111111111

 

Підключення приоритетного шифратора безпосередньо до виходу АЦП може призвести до похибки, якщо вхідна напруга змінюється швидко. Тому треба, щоб зміна стану компараторів проходила одночасно. Це робиться двома способами: або на вході АЦП ставлять швидкодіючий пристрів вибірки та збереження, що фіксує значення вхідної напруги, або на виході компараторів встановлюють паралельний регістр. У другому випадку використовується двотактний цикл перетворення. Завдяки одночасній роботі компараторів паралельний АЦП є найбільш швидкодіючим. Наприклад, 8-розрядний паралельний АЦП МАХ108 дозволяє довести частоту перетворення до 1, 5 ГГц. Недоліком такої схеми АЦП є висока складність. Оскільки паралельний АЦП містить 2N-1 компараторів та 2N резисторів, то його вартість може бути високою (сотні доларів США). Такий АЦП має також велику споживану потужність, той самий МАХ108 споживає до 5 Вт.

 

 

В багатоступеневому АЦП процес перетворення