Аналого-цифровые преобразователи.

По своей структуре аналого-цифровые преобразователи (АЦП) более сложны, чем ЦАП, причем последние часто являются основным узлом АЦП. В настоящее время существуют три различных метода построения схем АЦП: последовательный, параллельный и последовательно-параллельный.

Последовательный (последовательного счета) метод построения АЦП (рис.17) основан на подсчете числа суммирований опорного напряжения младшего разряда, необходимого для получения напряжения, равного входному.

При этом k - разрядный двоичный код одного отсчета определяется в схеме за 2^k интервалов дискретизации.

Начало преобразования входного непрерывного сигнала определяется временем поступления импульса запуска, который через.RS-триггер Т подключает счетчик Ст2 к выходу генератора тактовых (счетных) импульсов М. Схема ЦАП D/A, куда поступает цифровой код со счетчика, формирует выходное напряжение uвых, которое сравнивается в компараторе К с входным напряжением uвх. При сравнении этих напряжений, компаратор через логический элемент И (&) выдает сигнал прекращения подачи на счетчик Ст2 тактовых импульсов. В результате осуществляется считывание со счетчика выходного четырехразрядного кода, представляющего в момент окончания преобразования цифровой эквивалент выходного напряжения.

В описанном АЦП значения выходного цифрового кода в процессе преобразования многократно изменяются, поэтому он обладает низким быстродействием.

Действие параллельных (по методу считывания) k-разрядных АЦП основано на использовании 2^k-1 компараторов (рис.18). Неинвертирующие входы операционных усилителей компараторов объединены, и на них подается непрерывный сигнал, а к каждому инвертирующему входу подключено индивидуальное опорное напряжение, снимаемое с резистивного делителя. Разность между опорным напряжением двух соседних компараторов равна шагу квантования ∆ = U_0п / 2^k. Компараторы, у которых входное напряжение превысит соответствующее опорное напряжение, вырабатывают логическую 1, а остальные - логический 0. Информация с выходов компараторов поступает на шифратор CD, который преобразует ее в двоичный код.

Параллельные схемы обладают наибольшим быстродействием среди других типов АЦП. Однако для повышения точности измерений и уменьшения мощности шумов квантования в параллельных АЦП требуется увеличение числа компараторов.

Рис.18. Структурная схема параллельного АЦП

В последовательно-параллельных схемах АЦП используется сочетание методов последовательного и параллельного преобразования сигналов, что существенно увеличивает быстродействие последовательных преобразователей и уменьшает объем параллельных.

На рис.19. показана структурная схема шестиразрядного аналого-цифрового преобразователя данного типа, в которой используются два трехразрядных параллельных АЦП, один трехразрядный ЦАП и сумматор ∑.

Аналого-цифровой преобразователь формирует из входного напряжения три старших разряда выходного кода, соответствующие значениям 2³, 2⁴, и 2⁵. Эти разряды поступают на вход трехразрядного ЦАП, в котором они вновь преобразуются в аналоговое напряжение, отличающееся от входного напряжения uвх на величину погрешности преобразования схемы АЦП1. Аналоговое напряжение с выхода схемы ЦАП подается на сумматор ∑, где оно вычитается из входного напряжения uвх. Полученное разностное напряжение подается на АЦП2, в котором оно преобразуется в три младших цифровых разряда2^2, 2¹, 2° выходного кода преобразователя.

В заключение отметим следующее. Перспективным направлением развития ЦИП является применение микропроцессоров, которые обеспечивают управление процессом измерения, самодиагностику, автоматическую градуировку по заданной программе, а также первичную обработку результатов измерения (линеаризацию функции преобразования, коррекцию погрешностей, сжатие данных, т.е. уменьшение избыточности измеряемой информации). В настоящее время элементной базой ЦИП являются аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, что позволяет достигнуть высокого быстродействия и малых габаритных размеров приборов. Применение интегральных микросхем большой степени интеграции значительно расширило функциональные возможности ЦИП и повысило их надежность при одновременном снижении потребления энергии. Многие ЦИП имеют автоматический выбор пределов измерения, повышающий точность измерения при большом динамическом диапазоне входного сигнала. Большинство ЦИП могут выполнять операции интегрирования и фильтрации, что значительно повышает их помехоустойчивость.

В последние годы получили применение аналого-дискретные измерительные приборы (АДИП). В отличие от ЦИП в них используют квазианалоговые отсчетные устройства, в которых роль указателя выполняет светящаяся полоса или светящаяся точка, меняющие дискретно свою длину (полоса) или положение (точка) относительно шкалы. Квазианалоговые отсчетные устройства управляются кодом. Такие приборы сочетают в себе достоинства аналоговых приборов (аналоговые отсчетные устройства) и ЦИП (код на выходе).

В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и электроизмерительной технике — компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность — виртуальные приборы.