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).