6. Аналого-цифровые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют сигнал из аналоговой формы в цифровую. Эта задача сводится к измерению напряжения на входе. Ответ должен быть дан в цифровой форме на выходе. Рассмотрим аналогию – необходимо взвесить предмет на чашечных весах.

Поместим предмет на одну чашку. На другую чашку будем бросать одну за другой мелкие гири, масса которых равна допустимой погрешности. Одновременно будем считать эти гири. В момент, когда чашки весов переместятся, прекратим бросать гири. Количество гирек на правой чашке будет равно массе тела. По такой схеме работает АЦП с единичным последовательным приближением. 6. Аналого-цифровые преобразователи.

Рис.6.1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). запуск U вх. y 1 y 2 …y n R S & G K # Cч Импульсы с генератора не могут пройти через схему «И», т.к. на ее нижнем входе - 0. Работа АЦП начинается с подачи «1» на вход запуска. Триггер срабатывает по S-входу, на его выходе Аналого-цифровые преобразователи.

запуск U вх. y 1 y 2 …y n R S & G K # Cч Эта «1» открывает схему «И» Теперь импульсы с генератора проходят на счетчик. Счетчик считает эти импульсы. На его выходе появляется число, равное порядковому номеру импульса. Это число возрастает с каждым следующим импульсом ЦАП переводит это число в напряжение. Оно также растет с каждым следующим импульсом. Компаратор сравнивает его со входным напряжением. Когда U цап > U вход, на выходе компаратора появляется «1». 6. Аналого-цифровые преобразователи.

запуск U вх. y 1 y 2 …y n R S & G K # Cч Эта «1» поступает на R-вход триггера. Триггер перебрасывается, на его выходе – «0». Он идет на схему «И» и закрывает её Теперь импульсы не проходят через схему «И» Счетчик прекращает работу. На его выходе – число, равное входному напряжению с допустимой погрешностью. 6. Аналого-цифровые преобразователи.

запуск U вх. y 1 y 2 …y n R S & G K # Cч # Обозначение АЦП на схемах – см. рис Рис Обозначение АЦП. 6. Аналого-цифровые преобразователи.

запуск U вх. y 1 y 2 …y n R S & G K # Cч Если подать на вход U вход постоянное напряжение, то для работы схемы потребуется строго определенное время, определяемое частотой генератора. Тогда схема работает, как таймер. 6. Аналого-цифровые преобразователи.

Недостаток АЦП с единичным последовательным приближением – долгое время работы. Есть другие схемы АЦП, которые работают за несколько тактов, даже за 1 такт. Но они гораздо сложнее, а значит – дороже. Можно уменьшить время работы АЦП путем увеличения частоты тактовых импульсов. Однако, существует предел увеличения частоты. Он связан с искажением импульсов паразитными емкостями и индуктивностями схемы. Каждый транзистор можно рассматривать, как конденсатор (рис.6.3). p-проводник n-проводник p-проводник Обедненная зона Рис Транзистор, как конденсатор. 6. Аналого-цифровые преобразователи.

При подаче прямоугольного импульса конденсатор заряжается. Импульс искажается (рис. 6.4). а) б) в) Рис Искажение прямоугольного импульса а) длительного, б) короткого, в) очень короткого. Короткие единичные импульсы (высокой частоты) могут быть восприняты схемой как нулевые. 6. Аналого-цифровые преобразователи.

Искажения будут тем меньше, чем меньше паразитная емкость. Емкость связана с размерами элементов. Поэтому малогабаритные устройства могут работать быстрее. В настоящее время размеры транзистора могут быть снижены до размеров нескольких атомов. Устройства с такими транзисторами могут работать с частотой импульсов более Гц. 6. Аналого-цифровые преобразователи.

запуск U вх. y 1 y 2 …y n R S & G K # Рг 6. Аналого-цифровые преобразователи. Рассмотрим АЦП с двоично-взвешенным приближением. Рис АЦП с двоично-взвешенным приближением. Он работает по следующей программе.

запуск U вх. y 1 y 2 …y n R S & G K # Рг 6. Аналого-цифровые преобразователи. 1. В старший разряд регистра посылается «1». ЦАП преобразует результат в напряжение, а компаратор сравнивает его со входным. 2. Если входное напряжение больше, то посылается «1» в следующий разряд. Если входное напряжение меньше, то старший разряд обнуляется, а в следующий разряд посылается «1». Результат снова проходит через ЦАП и компаратор. 3-n. Повторение шага (2) с заполнением более младших разрядов. Программа заканчивается заполнением самого младшего разряда. Такой АЦП требует всего n тактов (где n – число разрядов).

6. Аналого-цифровые преобразователи. Еще быстрее работает параллельный резистивный АЦП. К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R Рис Параллельный резистивный АЦП.

6. Аналого-цифровые преобразователи. В таком АЦП требуется N резисторов и N компараторов, где N - число уровней квантования сигнала. К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R

6. Аналого-цифровые преобразователи. Цепочка резисторов делит опорное напряжение на N уровнях. К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R

6. Аналого-цифровые преобразователи. Компараторы сравнивают каждый из N уровней со входным сигналом. К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R

6. Аналого-цифровые преобразователи. На выходах N компараторов получаются N сигналов – сверху нули, снизу единицы. ( ) Граница проходит там, где входной сигнал становится больше соответствующей части опорного. К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R

6. Аналого-цифровые преобразователи. Такой код называется унитарным кодом. К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R

6. Аналого-цифровые преобразователи. Преобразователь кодов преобразует унитарный код в бинарный двоичный код. К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R

6. Аналого-цифровые преобразователи. Такой АЦП осуществляет преобразование всего за один такт! К К К U вх. U оп. X Y Выходы в двоичном коде R R R R Недостаток параллельного резистивного АЦП – необходимость большого количества элементов (несколько тысяч резисторов и компараторов)