Времяимпульсный аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь последовательного счета

Принцип работы АЦП последовательного счета сводится к следующему. Счетные импульсы заполняют счетчик, на выходе которого формируется код с нарастающим «весом». Этот код по­ступает на ЦАП, напряжение на выходе которого увеличивается. Когда оно чуть превысит напряжение, присутствующее в данный момент на входе, доступ импульсов к счетчику прекращается. Код, установившийся при этом на выходах счетчика, является цифро­вым эквивалентом напряжения на выходе ЦАП, а следовательно, и напряжения выборки входного напряжения UBX.

Схема, реализующая описанный принцип АЦП последователь­ного счета, изображена на рисунке 2.2.5.5. Преобразование начинает­ся с обнуления счетчика импульсом генератора тактовых импуль­сов (ГТИ). Период следования этих импульсов является периодом дискретизации входного аналогового напряжения. После обнуле­ния счетчика напряжение на выходе ЦАП становится равным нулю. При этом на выходе компаратора появляется «лог.1», обеспечивающая поступление импульсов от генератора счетных импульсов (ГСИ) через элемент И на счетчик.

 

 

Рисунок 2.2.5.5.

 

Когда напряжение на выходе ЦАП станет практически равным Uвх, компаратор переключится и «лог.0» на его выходе разъединит ГСИ и счетчик. Таким образом, в промежуток времени с момента окончания импульса ГТИ, обну­лившего счетчик, до завершения преобразования осуществляетется оцифровка выборки входного напряжения.

Заметим, что с поступлением на счетчик каждого импульса (с увеличением выходного кода на единицу) напряжение на выходе ЦАП увеличивается на один квант, так что Uвых ЦАП содержит це­лое число квантов, которым оно уравновешивает Uвх. Поэтом нельзя гарантировать, что такое уравновешивание может имеь ошибку, меньшую одного кванта, что соответствует ошибке на единицу в младшем разряде выходного кода.

Условное изображение АЦП приведено на рисунке 2.2.5.5, где для общности показаны только входной и выходные выводы.

 

 

Времяимпульсный метод преобразования заключается в том, что входному напряжению Uвх ставится в соответствие времен­ной интервал, длительность которого пропорциональна Uвх. Этот интервал заполняется импульсами стабильной частоты, числе которых и представляет цифровой эквивалент преобразуемого напряжения. Схема, реализующая указанный принцип, изобра­жена на рисунке 2.2.5.6.а). Импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ (импульсов дискретизации) обнуляет счетчик, запускает генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и переключает триггер в состояние Q=1. Сигналом Q = 1 ГСИ через элемент И подключается к счетчику. Когда нарастающее напряжение ГЛИН станет равным выборке преобразуемого напряжения Uвх, на выходе компаратора появится лог. 1, которая переключит триггер в состояние Q=0 и прервет связь ГСИ ее счетчиком. Код, установившийся на выходе счетчика, — цифровой эквивалент выборки Uвх. Следующая выборка задаст свой код на выходах счетчика.

Чтобы обеспечить линейность нарастания напряжения UГЛИН, заряд конденсатора в генераторах ГЛИН должен осуществляться током неизменной величины, что обеспечивается специальными схемами стабилизации.

 

Рисунок 2.2.5.6 а)

 

Рисунок 2.2.5.6 б)

 

Временные диаграммы, представленные на рисунке 2.2.5.6 б) иллю­стрируют описанные процессы. На выходе триггера формируют­ся «временные ворота». Начало их соответствует тактовому им­пульсу с ГТИ, а конец — появлению лог. 1 на выходе компарато­ра, когда наступает равенство напряжений ГЛИН и выборки. Таким образом, длительность «временных ворот» пропорциональ­на текущему значению входного напряжения. «Временные воро­та» заполняются счетными импульсами стабильной частоты, поэтому их число пропорционально значению текущей выборки Uвх. Только в частном случае во «временные ворота» может точно уложиться целое число периодов Тсч счетных импульсов ГСИ. Может оказаться, что между последним вошедшим в ворота им­пульсом и границей ворот будет интервал, почти равный Тсч, т. е. следующий импульс генератора будет чуть правее конечной границы ворот (см. рисунок 2.2.5.6 б) и не поступит на счетчик. Поэтому нужно считаться с тем, что выходной код времяимпульсного преобразователя может иметь погрешность в одну единицу (еди­ницу в младшем разряде).