АЦП последовательного приближения

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) осуществляют преобразование беспрерывного (аналогового) сигнала (чаще всего напряжения) в цифровой сигнал. АЦП широко используются в разных устройствах и системах автоматики для подключения аналоговых источников информации (датчиков) к цифровым устройствам обработки. Процедура аналого-цифрового преобразования представляет собой преобразование беспрерывного сигнала S(t) в последовательность n-разрядных чисел S⁽ⁿ⁾[k] (k = 0,1,…), формирование которых происходит в фиксированные моменты времени.

Различные методы построения АЦП обеспечивают получение устройств, различающихся по точности, быстродействию, помехозащищенности, сложности реализации. Более всего полно классификация и схемотехніка серийных АЦП, особенности их включения и применение представленные в работе [10].

АЦП последовательного приближения реализуют один из наиболее распространенных методов – метод поразрядного уравновешивания, называемый также методом последовательного приближения. Соответственно этому методу осуществляется последовательное дискретное приближение цифрового эквивалента S⁽ⁿ⁾[k], формируемого в регистре результата АЦП, к значению выборки S[k] преобразованного аналогового сигнала. Как основной элемент в последовательных АЦП используется цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выполняющий операцию преобразования цифровых n-разрядных чисел, формирующихся на выходе регистра результата, в аналоговое напряжение. Выходное напряжение ЦАП с помощью компаратора сравнивается с выборочным значением входного сигнала S[k]. В последовательных АЦП в процессе преобразования код в регистре результата меняется так, чтобы обеспечить по возможности быстрое уравновешивание входного напряжения или тока напряжением или током, получаемым с выхода ЦАП. Уравновешивание начинается со старшего разряда. В этом разряде сначала устанавливается единица и оценивается знак разности преобразованного сигнала и уравновешивающего сигнала, формируемого в ЦАП. Если выясняется, что уравновешивающий сигнал меньше преобразованного, то установленная в старшем разряде единица в дальнейшем сохраняется, если больше – это эта единица сбрасывается и в дальнейшем в этом разряде будет сохраняться нуль. Далее таким же образом проверяется, нужна ли единица в следующему, более младшем разряде. И так уравновешивание продолжается до тех пор, пока не будут опрошенные все разряды регистра, включая самый младший.

Отечественной промышленностью выпускается несколько типов АЦП последовательного приближения. Двенадцатиразрядный АЦП К572ПВ1 (рисунок 16.1) выполненный на основе КМОП-технологий. Кодовые выводы АЦП (4,5...15) могут использоваться не только для вывода, но и для ввода дискретных сигналов, другими словами, названный АЦП имеет двунаправленный кодовый канал. Возможность записи внешнего кода в выходный регистр результата разрешает использовать данную микросхему также в качестве перемножающего ЦАП (с внешним усилителем считывания).

Назначение выводов ЦАП (I₁, I₂, I₃), входящего в состав ИС К572ПВ1, аналогично выводам ЦАП К572ПА1, схема которого изображена на рисунке 2.9. Переключение кодового канала на ввод или на вывод вырабатывается сигналом, подаваемым на вход P, который называется «режим»: если Р = 0, то осуществляется вывод кода, если Р = 1,то ввод. Кодовый канал АЦП имеет выходные каскады с тремя состояниями (состояния «0», «1» и высокого сопротивления), поэтому AЦП можно непосредственно подключить как устройство ввода или вывода к общей шине данных микропроцессорных систем. Перевод кодового канала в третье состояние вырабатывается подачей нулевого сигнала на входы МР и СР, которые осуществляют управление восьмью младшими и четырьмя старшими разрядами канала соответственно.

Рисунок 16.1

Благодаря наличию этих входов информацию с АЦП можно выводить побайтно на восьмиразрядную шину данных.

Работа преобразователя синхронизируется тактовыми импульсами, подаваемыми на вход ТИ. Частота этих импульсов не должна превышать 250 kHz. Схема включения ИС К572ПВ1 в режиме АЦП показана на рисунке 17.1. Для построения АЦП микросхему К572ПВ1 нужно дополнить источником опорного напряжения U_оп, операционным усилителем А1и компаратором А2. ОУ А1используется для преобразования выходного тока ЦАП I₁ в напряжение. В качестве резистора обратной связи усилителя А1 используется один из четырех резисторов, которые входят в микросхему: 2R, R, R/2, R/4(R = 10 kW). На рисунке 16.1 резисторы, входящие в микросхему, для наглядности показаны вне контура условного обозначения АЦП.

Компаратор А2 сравнивает преобразованное напряжение U_вх с выходным напряжением ЦАП. Результат сравнения подается на вход К(сравнение) АЦП и используется для управления внутренним регистром последовательного приближения.

При включении АЦП по схеме рисунка 16.1 обеспечивается преобразование напряжения U_вх от 0 до –U_оп. Если же в обратную связь усилителя А1 вместо сопротивления R включить сопротивление 2R или R/2то предельное значение U_вх станет равным –2U_о_пили –U_оп/2. Опорное напряжение в этом преобразователе может изменяться в границах от – 15 V до +15 V.

Рисунок 16.2

На основе ИС К572ПВ1 реализуется двухполярный АЦП. Соответствующая этому режиму схема подключения АЦП К572ПВ1, ОУ и компаратора показана на рисунке 16.2. Выходный ток встроенного ЦАПI₁подается на инвертирующий вход ОУ А1.Смещение характеристики преобразования производится благодаря соединению опорного источника АЦП U_оп через резистор со входом компаратора А2, выход которого в свою очередь соединяется с входом КАЦП. Диапазон изменения U_вх для рассмотренного двухполярного АЦП составляет от –U_оп до +U_оп.

Запуск АЦП вырабатывается положительным импульсом на входе ЗАП(запуск или старт). Весь цикл преобразования длится 28 периодов тактовых импульсов: 2 периода – сбрасывание, 24 периода – реализация программы последовательного приближения и 2 периода – формирование положительного импульса на выходе КП(конец преобразования). Если требуется организовать циклическую работу АЦП, то соединяются между собой выход ВЦ(выход цикла) и вход Ц(вход цикла).

При включении микросхемы К572ПВ1 в режиме ЦАП (рисунок 16.3) на вход Рподается сигнал логической «1» и через кодовый канал входной код N записывается в выходный регистр, управляющий работой ЦАП. Это обстоятельство на рисунке 16.3 отмечено стрелкой, направленной ко входам (выходам) микросхемы, в отличие от рисунка 16.1, на котором изображена схема включения АЦП и направление стрелки указано от выходов микросхемы.

Рисунок 16.3 Рисунок 16.4

Операционный усилитель А1 преобразует выходный ток I₁ ЦАП в напряжение U_вых - внешняя кодовая информация в выходный регистр может быть записана также последовательно по входу ПВ(последовательный код).

Преобразователь имеет вход СТР(вход стробирования ЦАП), разрешающий смену кода в выходном регистре при СТР = 1.Если же СТР = 0, то в регистре хранится ранее введенный код.

Преобразователь К572ПВ1 питается от двух источников: U_п₁⁺ = 5...15 V и U_п₂ = -15 V. Значение U_п₁⁺ = 5 V используется при работе АЦП с ТТЛ-цифровыми схемами. Если же сигналы на АЦП подаются из КМОП-цифровых схем, то напряжение U_п₁⁺ может быть повышено до 15 V

Отечественной промышленностью выпускаются и другие функционально законченные АЦП последовательного приближения. В частности, в связи с широким использованием однобайтных микропроцессоров разработаны специальные восьмиразрядные АЦП типа К572ПВЗ и К572ПВ4. В отличие от большинства одноканальных АЦП последовательных приближений восьмивходовой и восьмиразрядный АЦП К572ПВ4 (рисунок 16.4) представляет собой многоканальную систему сбора данных. С помощью аналоговых ключей встроенного коммутатора (входы А10...А17) восемь входных аналоговых сигналов поочередно подаются на вход АЦП последовательного приближения. Результаты преобразования записываются во встроенное ОЗУ объемом восемь однобайтных слов. Каждому из входных каналов отвечает своя область памяти, так что после одного цикла работы коммутатора в ОЗУ сохраняется информация по всем восьми каналам. Циклическая работа АЦП начинается сразу после включения напряжения питания. Каждый раз, когда заканчивается преобразование по какому-то из каналов, обновляется информация в области ОЗУ, соответствующей этому каналу.

Микросхема К572ПВ4 имеет вывод АI, которыйявляется выходом встроенного аналогового коммутатора. Этот вывод может использоваться как некоммутируемый вход АЦП при его применении в одноканальном режиме. В этом случае в ОЗУ будут запоминаться коды, соответствующие восьми последовательным значениям входного сигнала.

Считывание информации из ОЗУ может осуществляться в произвольном порядке. Номер канала ОЗУ, информация из которого подается на выход микросхемы, задается сигналами, подаваемыми на адресные входы А1, А2, А0 при наличии сигнала логической «1» на входе разрешения изменения адреса РСА. Используя выходной сигнал состояния СС, изменяющийся синхронно с переключением каналов, можно осуществить привязку результата преобразования по каждом из каналов к определенному моменту времени.

Диапазон преобразованного сигнала АЦП К72ПВ4 задается двумя опорными напряжениями U_оп₁ = -0,1...2,6 V и U_оп₂ = -2,6...0,18 V. Комбинируя различные сочетания возможных значений U_оп₁ и U_оп₂можно выбрать требуемый диапазон изменения входного сигнала АЦП.

В частности, при U_вх = 0...2,5 V следует задать U_оп₁ = 2,5 V и U_оп₂ = 0, при U_вх = -1,25 V...+1,25 V – U_оп₁ = 1,25 V и U_оп₂ = -1,25 V, при U_вх = -2,5 V…0V-U_оп₁ = 0 V и U_оп₂ = -2,5 V.