Справочное пособие - микросхемы и их применение (1086445), страница 37
Текст из файла (страница 37)
п. Вместе с ЦАП рассматриваемыепреобразователи начинают использоваться в системе обработки данных, построенных на базе микропроцессоров.В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напряжение, выходным — соответствующее емузначение цифрового (обычно двоичного) кода. Структурная схема АЦП в общем виде показана на рис.
6.11. Врассматриваемом преобразователе происходит квантование входного напряжения на конечное число дискретных уровней.Основные параметры АЦП: разрядность, точность преобразования, зависящая от шага квантования иошибок, вносимых основными узлами АЦП, а также время преобразования, необходимое для представлениямгновенного значения аналогового сигнала в цифровой форме.Состав АЦП в отличие от ЦАП может изменяться в значительной степени в зависимости от методапреобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили три основных метода:последовательного счета, поразрядного кодирования и считывания.Метод последовательного счета основан на уравновешивании входной величины суммой одинаковых иминимальных по величине эталонов.
Момент уравновешивания определяется с помощью одногосравнивающего устройства, а количество эталонов, уравновешивающих входную величину, подсчитывается спомощью счетчика.Рис. 6.11. Структурная схема АЦПРис. 6.12. АЦП последовательного счета с ЦАП в цепи обратной связиМетод поразрядного кодирования (уравновешивания) предусматривает наличие нескольких эталонов,обычно пропорциональных по величине степеням числа 2, и сравнение этих эталонов с аналоговой величиной.Сравнение начинается с эталона старшего разряда. В зависимости от результата этого сравнения формируетсязначение старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разрядеставится 0 и далее производится уравновешивание входной величины следующим по значению эталоном.
Еслиэталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшемпроизводится уравновешивание разности между входной величиной и первым эталоном.Метод считывания подразумевает наличие 2n — 1 эталонов при «-разрядном двоичном коде. Входнаявеличина одновременно сравнивается со всеми эталонами. В результате преобразования получаетсяпараллельный код в виде сигналов на выходах 2™ — 1 схем сравнения (компараторов).Рассмотрим примеры АЦП, реализованных в микроэлектронном исполнении.Схема АЦП последовательного счета с ЦАП в цепи обратной связи показана на рис. 6.12. По сигналу«Пуск» на вход счетчика начинают подаваться импульсы генератора тактовой частоты.
По мере поступленияэтих импульсов растет входной код ЦАП и повышается напряжение на его выходе (Uцап). Оно подается накомпаратор вместе с UВх. В момент, когда указанные напряжения сравниваются, компаратор срабатывает ипрекращает работу счетчика. На выходах счетчика устанавливается код, являющийся цифровым эквивалентомвходного сигнала. Погрешность преобразования зависит от значения ступеней UЦап, погрешности в ихформировании и ошибки компаратора в определении равенства Uвх и Uцап. Время преобразования непостояннои зависит от UВх.Одной из разновидностей АЦП последовательного счета, характеризующейся повышенной точностью,является преобразователь с промежуточным преобразованием во временной интервал с двойныминтегрированием.Рис. 6.13.
АЦП с двойным интегрированием:а — функциональная схема; б — вре« менные диаграммы работыПоясним принцип действия такого преобразователя, схема которого и временные диаграммы работыпоказаны на рис. 6.13. Импульс запуска через Т1 открывает ключ K1 и Uвх подается на вход интегратора Ин.Напряжение интегратора вместе с постоянным напряжением U0 подаются на входы компаратора СС. В моментt1, когда Uин становится равным U0, с СС подается сигнал на триггер Т3, он перебрасывается и открываетустройство совпадения, через которое на счетчик СТ2 начинают поступать импульсы тактовой частоты.Интегрирование ведется до момента tz, когда счетчик переполняется, сбрасывается в исходное состояние ивыдает сигнал на триггеры Т1 и Т2. При этом К1 закрывается, а K2 открывается, и на вход интегратора подаетсяUon, имеющее полярность, обратную Uвх.
Напряжение на выходе интегратора начинает падать. В момент tз,когда UИн станет равным Uо, с компаратора поступает сигнал, который приводит Т12 и Т3 в исходное состояние.При этом Uоп отключается от входа интегратора и работа счетчика прекращается. На нем будет записан кодГде Тт — период тактовой частоты; n — число разрядов в счетчике.В рассмотренной схеме за счет использования одних и тех же узлов на обоих этапах интегрирования Uвх иUon исключаются погрешности в формировании линейно-изменяющегося напряжения, ошибки в срабатываниикомпаратора, погрешности в стабильности источника тактовой частоты. К недостаткам преобразователя можноотнести невысокое быстродействие.Рис. 6.14.
АЦП поразрядного кодированияДня построения преобразователей с более высоким быстродействием используется метод поразрядногокодирования. Схема одного из вариантов подобного преобразователя приведена на рис. 6.14. При подачеимпульса запуска триггер старшего разряда Тп устанавливается в состояние 1, а остальные триггеры (Тп-1 — Т1)— в О одновременно записывается 1 в старший разряд регистра сдвига. В первом такте работы на компараторподаются UBX и U3n, снимаемое с выхода ЦАП и соответствующее 1 старшего разряда. Если UBS.>Uэn, навыходе СС сигнала не будет и в старшем разряде (Тп) сохранится 1.
Если Uвх<Uэп, то СС выдает сигнал, который через компаратор вернет Тп в состояние 0. Одновременно произойдет сдвиг 1 в регистре в (n — 1) разряд,что обеспечит подачу эталонного напряжения UЭ(n-1) с ЦАП на СС. Далее процесс преобразования идетаналогично. В результате преобразования UЕХ уравновешивается суммой эталонных напряжений, снимаемых сЦАП:где ai — коэффициенты 1 и 0 в разрядах выходного кода, снимаемого с триггеров Тп — Т1; U3i — эталонноенапряжение ЦАП, соответствующее г-разряду.В рассмотренном АЦП время преобразования постоянно и определяется числом разрядов и тактовойчастотой TПр=n/fт. Погрешность преобразования зависит от ошибок ЦАП и чувствительности СС. Имеютсяболее сложные модификации рассмотренного преобразователя, которые характеризуются повышеннымбыстродействием и точностью.Рис.
6.15. АЦП, построенный по методу считыванияНаибольшим быстродействием обладают преобразователи, построенные по методу считывания. Примертакого преобразования показан на рис. 6.15. В этом преобразователе 2n — 1 опорных напряжений формируютсяс помощью резистивного делителя. Каждое из опорных напряжений подается вместе с UBX на соответствующийкомпаратор. Срабатывают лишь те компараторы, у которых UВх> >U0ni.
Результат сравнения черезфиксирующие триггеры подается на шифратор, преобразующий его в код. Преобразование производится за дватакта, время преобразования 10 — 100 не. Недостаток этого преобразователя в большом числе компараторов,которое быстро возрастает с ростом числа разрядов n.Рис. 6.16. Компаратор напряжения 240СА1Как видно из рассмотренных схем преобразователей, нашедших применение на практике, в их состав входятразличные аналоговые и цицЬровые узлы. В настоящее время отечественная промышленность выпускает дляпостроения АЦП наборы микросхем. Из наборов можно строить различные по точности и быстродействию преобразователи. Для построения аналоговых частей преобразователей можно использовать микросхемы серий240, 252, а также 228, 265 и др.Серия 240 включает кроме цифровых микросхем набор схем, предназначенных для построениядесятиразрядных АЦП с диапазоном входных напряжений +5 В и временем преобразования до 100 икс.
Всерию входят шесть типов аналоговых микросхем: 240СА1, 240УД1, 240КН1, 240КН2, 240КНЗ, 240ЕН1.240СА1 (рис. 6.16) — компаратор, который предназначен для сравнения двух напряжений, имеетследующие параметры: разрешающая способность не ниже 2 мВ, входное сопротивление 1 МОм, напряжениесмещения нуля на входе менее 2 мВ, максимальное значение сравниваемых напряжений 5 В, ток нагрузки до 12мА, скорость нарастания выходного напряжения не менее 10 В/мкс.240УД1 рис. 6.17,а — операционный усилитель. Имеет коэффициент усиления при разомкнутой цепиобратной связи не ниже 8000 в полосе частот более 100 кГц, входное сопротивление 1 МОм, входной ток неболее 1,5 мкА, напряжение смещения нуля на входе до 2 мВ, максимальное выходное напряжение 5 В, токнагрузки не более 5 мА, скорость нарастания выше 2,1 В/мкс.
Схема включения усилителя показана на рис.6.17,6.240КН1, 240КН2 — аналоговые ключи, соответственно на 1 и 3 канала, предназначенные для подключенияна выход положительного или отрицательного эталонного напряжения в зависимости от входных сигналов.Принципиальная схема одного канала ключа 240К.Н2 приведена на рис. 6.18. При подаче на вывод 20потенциала 1, а на вывод 17 — 0, на выводе 35 формируется положительное эталонное напряжение, а на выводе3 — напряжение, близкое к 0. Если сигналы на выводах 20 и 17 поменять на противоположные, то на выводе 3появится отрицательное эталонное напряжение, а на выводе 35 — напряжение, близкое к 0.Погрешности передачи эталонных напряжений при переклюпе-нии (+0,5 В) и токах нагрузки от 0 до 0,5 мАсоставляют +2 5 (240КН1А), ±5 (240КН1Б) и ±10 мВ (240КН2).240КНЗ — четырехразрядный коммутатор, предназначенный для подключения на выход напряжений +5 В взависимости от уровней управляющих сигналов.
Принципиальная схема одного разряда коммутатора показанана рис. 6.19. При подаче на вывод 18 потенциала 1, а на вывод 19 — 0 ключ открывается и сигнал с вывода 17проходит на вывод 20. При смене потенциалов на выводах 18 и 19 ключ закрывается и цепь передачи сигналовмежду выводами 17 и 20 разрывается. Коммутатор имеет остаточное напряжение на открытом ключе не более 1мВ при сопротивлении менее 100 Ом, ток утечки в закрытом состоянии менее 100 нА, время включения неболее 1 мкс.240ЕН1 (рис. 6.20,а) — стабилизатор напряжения ±5 В, обеспечивающий нестабильность выходногонапряжения не более 0,06 %, ток нагрузки по каждому из двух выходов 25 мА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
