Особенности построения аналого-цифровых преобразователей. В последнее время получила распространение классификация АЦП, показывающая, как во времени развертывается процесс преобразования.
Исходя из этого все АЦП можно разбить на три типа последовательные, параллельные и параллельно-последовательные.
К последовательным АЦП относятся, например, преобразователи, основанные на преобразовании напряжение - частота, интегрирующего типа, последовательных приближений, следящего типа. Все эти АЦП позволяют получить высокую разрядность, однако имеют относительно невысокое быстродействие. Рассмотрим работу последовательного аналого-цифрового преобразо-вателя, схема которого приведена на рисунке 1.5. Рисунок 1.5 - Схема последовательного АЦП Тактовым импульсом ТИ счетчик Сч сбрасывается в нулевое состояние. Нулевое напряжение Uoc 0 возникает на выходе ЦАП, преобразующего число счетчика в пропорциональное напряжение.
Устанавливается Uвх Uос, при котором компаратор К подает на вход элемента И уровень логической 1 . При этом импульсы генератора импульсной последовательности ГИП проходят через элемент И на вход счетчика.
Каждый поступивший на вход счетчика импульс вызывает увеличение хранившегося в нем числа на единицу, на одну элементарную ступеньку напряжение возрастает на выходе ЦАП. Таким образом, напряжение Uос растет по ступенчатому закону. В момент времени, когда напряжение Uос достигает уровня, превышающего Uвх, компаратор выдает уровень логического 0 , и в дальнейшем прекращается доступ импульсов генератора в счетчик. Полученное к этому моменту времени в счетчике число пропорционально напряжению Uвx. Параллельно-последовательные АЦП представляют собой комбинацию из малоразрядных параллельных АЦП, ЦАП, операционных усилителей ОУ , устройств выборки-хранения УВХ и т д. Принцип преобразования таких АЦП обычно сводится к двухступенчатому алгоритму - в начале производится определение старших разрядов значения входного напряжения с помощью первого малоразрядного параллельного АЦП, затем формируется разностный сигнал с помощью ЦАП и ОУ и осуществляется формирование младших разрядов с помощью второго малоразрядного параллельного АЦП. Основными недостатками АЦП такого типа являются наличие большего числа линейных узлов, требования к точностным и динамическим характеристикам которых очень высоки, а также трудности, связанные с прецизионной стыковкой этих узлов друг с другом, что требует настройки каждого индивидуального преобразователя.
По указанным причинам такие АЦП в полупроводниковом интегральном исполнении в настоящее время практически не выпускаются.
Они изготавливаются в виде блоков, гибридных микросхем, печатных плат. Параллельные АЦП построены на принципе одновременного преобразования сигнала путем его квантования с помощью набора компараторов.
Такие АЦП являются самыми быстродействующими и позволяют достичь частот преобразования до 100-300 МГц. К недостаткам параллельных АЦП относится резкое увеличение числа компонентов при увеличении разрядности, что, в свою очередь, приводит к увеличению потребляемой мощности и размеров кристалла. В общем случае построение всех параллельных АЦП однотипно делитель опорных напряжений, набор компараторов напряжения, шифратор, выходные каскады рисунок 1.6 . Рисунок 1.6 - Схема параллельного аналого-цифрового преобразователя Параллельный АЦП работает следующим образом входной сигнал подается одновременно на одни входы компараторов, в которых он сравнивается с опорными напряжениями, подаваемыми на другие входы компараторов от делителя опорных напряжений.
Основным узлом параллельных АЦП являются компараторы напряжения.
Как правило, в быстродействующих АЦП они выполняются стробируемыми, то есть в состав компаратора входит устройство, переключающее компаратор из режима сравнения сигналов в режим хранения результата. Особенностью стробируемых компараторов напряжения являются небольшой коэффициент усиления в режиме сравнения и резкое его увеличение при стробировании, то есть при переходе в режим хранения результата сравнения. Такое построение позволяет получить большую полосу пропускания по аналоговому входу при большой его чувствительности.
В момент подачи на тактовый вход стробирующего сигнала на выходах компараторов фиксируется значение кода, соответствующее мгновенному значению входного сигнала. Далее результат кодирования с выходов компараторов подается на шифратор, в котором происходит преобразование в выбранный тип выходного кода АЦП. С выхода шифратора сформированный код подается на выходные каскады преобразователей внутрисхемных уровней в стандартные уровни ЭСЛ, ТТЛ или КМОП . 1.4.2 Особенности построения и конструктивное исполнение цифро-аналоговых преобразователей Цифро-аналоговыми преобразователями ЦАП называют устройства, генерирующие выходную аналоговую величину, соответствующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя. Цифро-аналоговые преобразователи используются для согласования ЭВМ с аналоговыми устройствами, а также в качестве внутренних узлов в аналого-цифровых преобразователях и цифровых измерительных приборах.
Цифро-аналоговое преобразование в ЦАП состоит в суммировании эталонных величин, соответствующих разрядам входного кода. Применяются в основном два метода цифро-аналогового преобразования суммирование единичных эталонных величин и суммирование эталонных величин, веса которых отличаются.
В первом при формировании выходной аналоговой величины используется только одна эталонная величина весом в один квант. Во втором методе применяются эталонные величины с весами, зависящими от номера разряда, и в суммировании участвуют только те эталонные величины, для которых в соответствующем разряде входного кода имеется единица.
Работа таких ЦАП описывается выражением 1.1 1.1 где Х - выходная аналоговая величина Р - опорный сигнал а - коэффициенты соответствующих двоичных разрядов, которые принимают дискретные значения единица или нуль n - число разрядов. Опорным сигналом может служить напряжение постоянного или переменного тока. В преобразователях из опорного сигнала формируются эталонные величины, соответствующие значениям разрядов входного кода, которые суммируются и образуют дискретные значения выходной аналоговой величины. Дальнейшая классификация ЦАП может быть проведена по разным признакам 1 способу формирования выходного сигнала с суммированием напряжения, делением напряжения, суммированием токов 2 роду выходного сигнала с токовым выходом, выходом по напряжению 3 полярности выходного сигнала униполярные, биполярные 4 характеру опорного сигнала постоянный, переменный 5 конструктивно-технологическому исполнению модульные, гибридные, интегральные 6 типу элементов для суммирования и деления резистивные, емкостные, оптоэлектронные. Основные структуры, широко используемые в ЦАП интегрального исполнения - это структуры с суммированием токов. ЦАП со взвешенными резисторами в цепях эмиттеров рисунок 1.7 . Структура характеризуется малой рассеиваемой мощностью, независимостью токов разрядов друг от друга, большим диапазоном сопротивлений резисторов и большим значением напряжения смещения нуля на выходе.
Рисунок 1.7 - Цифро-аналоговый преобразователь со взвешенными резисторами в цепях эмиттеров ЦАП с лестничной матрицей R 2R в цепях эмиттеров транзисторов источников токов рисунок 1.8 . В этой структуре суммарное сопротивление резисторов и диапазон сопротивлений намного меньше, чем в первых двух, однако, при подгонке тока одного из разрядов изменяются токи соседних, что создает неудобства при настройке прибора.
ЦАП с выходной лестничной матрицей R 2R характеризуется наименьшим значением суммарного сопротивления. Рисунок 1.8 - Цифро-аналоговый преобразователь с лестничной матрицей в эмиттерах источников токов На рисунке 1.9 показан ЦАП с комбинированным взвешиванием.
В таких структурах взвешивание в каждом разряде или их группе выполняется различными способами.
Рисунок 1.9 - Цифро-аналоговый преобразователь с комбинированным взвешиванием 1.5