 |
Аналого-цифровые преобразователи.
|
|
|
|
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые.
Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.
Дискретизация - это представление непрерывной функции (сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (взятые в отдельные моменты времени). После дискретизации функция представляет собой набор импульсов с амплитудой, равной сигналу в соответствующий момент времени. Общий принцип дискретизации изображен на рис 9.1.
Рис 9.12
На рис. 9.1 показана наиболее распространенная равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Δt, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность дискретных отсчетов с шагом в Δt.
Период дискретизации выбирается из условия:
Δt = 1/2Fв, (9.2)
где Fв - максимальная частота спектра сигнала. Выражение 9.2 следует из теоремы Котельникова.
Теорема Котельникова: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой Fв, если дискретные отсчеты взяты через интервал Δt = 1 / 2Fв.
А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. В большинстве случаев сигнал, который требуется дискретизировать, обладает бесконечным спектром. Для его ограничения между входом АЦП и исходным сигналом ставят ФНЧ (фильтр низких частот), ограничивающий спектр исходного сигнала до необходимой максимальной частоты.
|
|
|
При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования (рис 9.2).
Рис. 9.13
Расстояние между двумя уровнями квантования называется шагом квантования и обозначается δ. Шаг квантования может быть как равномерным, когда δ= const (рис 9.2), так и изменяемым. Амплитуда каждого импульса делается равной ближайшему уровню квантования. В итоге все импульсы кодируются номерами уровней квантования. При этом шум квантования равен δ/2. Обычно этот шум превышает шум сигнала. В этом случае считается, что сигнал имеет только шум, возникающий при квантовании.
Реализации АЦП.
Параллельные АЦП
Чаще всего в качестве пороговых устройств параллельного АЦП используются интегральные компараторы. Схема типичного АЦП параллельного типа приведена на рисунке 9.7.
Число компараторов DA выбирается с учетом разрядности кода. Например, для двух разрядов понадобится три компаратора, для трех - семь, для 4-х - 15. Опорные напряжения задаются с помощью резистивного делителя. Изменением номиналов резисторов можно изменять шаг квантования сигнала. Входное напряжение Uвх подается вход компараторов и сравнивается с набором опорных напряжений, снимаемых с делителя. На выходе компаратора, где входное напряжение больше соответствующего опорного, будет лог. 1, на остальных - лог. 0. Естественно, при входном напряжении равном 0 на выходах компараторов будут нули. При максимальном входном напряжении на выходах компараторов будут лог. 1. Шифратор предназначен для преобразования полученной группы нулей и единиц в двоичный код.
Рис 9.14
Параллельный АЦП является самым быстродействующим из всех, поскольку компараторы работают одновременно. Недостатком этой схемы является необходимость использования большого количества компараторов и резисторов. Действительно, для создания десятибитного АЦП требуется 1023 компараторов и 1024 резисторов. Отсюда вытекает высокая стоимость параллельных АЦП.
|
|
|
Последовательные АЦП
Последовательные АЦП бывают последовательного счета и последовательного приближения. Типичная схема АЦП последовательного счета приведена на рисунке 9.8.
Рис. 9.15 - АЦП последовательного счета
На схеме буквами и символами обозначены следующие элементы:
К - компаратор,
& - схема "И",
ГТИ - генератор тактовых импульсов,
СТ - счетчик,
#/A - ЦАП.
На один вход компаратора подается входное напряжение, на второй - напряжение с выхода ЦАП. В начале работы счетчик устанавливается в нулевое состояние, напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю, а на выходе компаратора устанавливается лог. 1. При подаче импульса разрешения "Строб" счетчик начинает считать импульсы от генератора тактовых импульсов, проходящих через открытый элемент "И". Напряжение на выходе ЦАП при этом линейно нарастает, пока не станет равным входному. При этом компаратор переключается в состояние лог. 0 и счет импульсов прекращается. Число, установившееся на выходе счетчика и есть пропорциональный входному напряжению цифровой код. Выходной код остается неизменным пока длится импульс "Строб", после снятия которого счетчик устанавливается в нулевое состояние и процесс преобразования повторяется.
Такие АЦП имеют низкое быстродействие. Достоинством является сравнительная простота построения.
Более быстродействующим являются АЦП последовательного приближения, называемый также АЦП с поразрядным уравновешиванием.
АЦП последовательного приближения показан на рисунке 9.9. В основе работы таких преобразователей лежит принцип дихотомии - последовательного сравнения измеряемой величины с ½, ¼, ⅛ и т. п. от возможного ее максимального значения.
Рис. 9.16 - АЦП последовательного приближения
В таком АЦП используется специальный регистр - регистр последовательных приближений. При подаче импульса "Пуск" на выходе старшего разряда регистра появляется лог. 1, а на выходе ЦАП напряжение U1. Если это напряжение меньше входного, то в следующем по счету разряде регистра записывается еще лог. 1. Если же входное напряжение меньше, то лог. 1 в старшем разряде отменяется. Таким образом, методом проб перебираются все разряды - от старшего до младшего. На всю операцию преобразования требуется импульсов ГТИ всего в два раза больше количества разрядов. То есть АЦП последовательных приближений намного быстрее АЦП последовательного счета.
|
|
|
|
|
|
