Схеми АЦП

За принципом дії АЦП ділять на послідовні, паралельні, комбіновані і перетворювачі з використанням інтеграції.

1.2.1 Послідовні АЦП з одиничним наближенням

.

Любий АЦП містить хоча б один компаратор. Схема послідовного АЦП з одиничним наближенням наведена на рис.1.2.

Рисунок 1.2 Схема послідовного АЦП з одиничним наближенням

(ГЛЗН – генератор лінійно змінюваної напруги; ГТІ – генератор тактових імпульсів; СТ – лічильник; RG – регістр; & - схема збігу)

У схемі використовується принцип перетворення напруги в тривалість імпульсу з наступним виміром тривалості імпульсу. Принцип роботи схеми пояснюють часові діаграми, представлені на рис. 1.3.

Рисунок 1.3. Діаграми роботи схеми послідовного АЦП з одиничним наближенням.

Робота АЦП починається з імпульсу з схеми управління (СУ): лічильник і регістр зануляються, запускаються ГТІ і ГЛЗН. Вхідний сигнал і напруга з виходу ГЛЗН поступають на входи компаратора, де порівнюються. Якщо напруга генератора менше вхідного, то на виході компаратора буде напруга (одиниця), що вирішує проходження тактових імпульсів через схему збігу на вхід лічильника. Лічильник рахує кількість імпульсів, що поступили. При рівності напруги вхідного сигналу і пилкоподібного на виході компаратора з'являється нуль і тактові імпульси на вхід лічильника більше не поступають. Код на виході лічильника є вихідним кодом АЦП (зберігається в регістрі).

До переваг даної схеми можна віднести її простоту. Але вона має обмеження по частоті дискретизації і використовується при f_дискр< 10⁵ Гц (частіше для звукового діапазону).

1.2.2 АЦП послідовної дії з двійково-взваженим наближенням.

Схема АЦП послідовної дії з двійково-взваженим наближенням представлена на рис.1.4. Якщо в попередньому випадки було потрібно для перетворення ()тактів, то при двійково-взваженому наближенні потрібно усього К тактів на одне перетворення. У даній схемі використовується принцип поділу відрізка на два. Якщо при порівнянні з вхідною напругою маємо одиницю (вхідне більше), то до даної половини додаємо половину другого відрізка (мається на увазі напруга). Якщо ж при порівнянні з вхідною напругою маємо нуль (вхідне менше) беремо половину від рівня даного відрізка, і т.д. Схема має швидкодію порядку 10^-5…10^-6с.

Рисунок 1.4 АЦП послідовної дії з двійково-взваженим наближенням

1.2.3 АЦП с інтегруванням

Схема АЦП з інтегруванням за фіксований інтервал часу дана на рис.1.5.

Рисунок 1.5 Схема АЦП с інтегруванням

Цикл роботи схеми складається з двох етапів, показаних на рис.1.6.

На першому етапі відбувається інтеграція вхідного сигналу за фіксований інтервал часу Т. На другому етапі відбувається розряд конденсатора від джерела опорної напруги до нуля (інтервали часу t1, або t2, або t3).

Рисунок 1.6. Принцип роботи АЦП з інтеграцією

Принцип дії схеми (рис.1.5).

При установці SA1 у верхнє положення напруга Uвх інтегрується інтегратором на DA1 і подається на вхід схеми порівняння на DA2 (компаратор або нуль-орган). Інтеграція продовжується від моменту перемикання SA1 у верхнє положення протягом часу Т, який визначається ємкістю лічильника СТ (це час його заповнення імпульсами частоти f_СЧ, що калібрується). Імпульс переповнювання лічильника закриває лічильник СТ і перемикає ключ SA1 вниз, при цьому на вхід інтегратора подається опорна (еталонне) напруга протилежною по відношенню до U_ВХ полярності. Напрям інтеграції змінюється на протилежне і під час переходу вихідного сигналу інтегратора через нуль знов спрацьовує схема порівняння і робота АЦП починається спочатку.

Час t₁ (якщо на вхід АЦП подана напруга U_ВХ1) залежить від перетворюваної напруги і його вимір за допомогою рахункових імпульсів дозволяє отримати цифровий еквівалент U_ВХ1.

1.2.4 Паралельні АЦП

Схема паралельного АЦП представлена на рис.1.7. Перетворений сигнал подається на входи декількох компараторів (2^К-1), на другі входи яких подаються опорні напруги.

Схема найбільш швидкодіюча. Перетворення здійснюється усього за один такт, але вимагає більший об’єм апаратних витрат. При розрядності К необхідно мати (2^К-1) компараторів, кожний з який відповідає за свій рівень. При збільшенні розряду на одиницю, приблизно вдвічі збільшується об’єм апаратних витрат.

Дільники в даній схемі формують сітку опорних напруг, з якими далі буде порівнюватися вихідний сигнал. Якщо усі R_i рівні, то сітка рівнів рівномірна, але іноді використовується нерівномірна розбивка (тобто ). Частіше в таких випадках більш малі сигнали передаються більш точно (використовується густа сітка, тобто мала ), а більш високі рівні кантуються з використанням менш точної сітки, і тоді ми маємо однакову відносну погрішність перетворення. Іноді буває, що під рівномірну сітку змінюють вхідний сигнал по логарифмічній залежності.

Рисунок 1.7. Схема паралельного АЦП

1.2.5 Комбіновані схеми АЦП.

Комбінована паралельно-послідовна схема АЦП показана на рис.1.8. Дана схема є компромісом між швидкодією й об’ємом апаратних витрат.

Рисунок 1.8. Комбінована схема АЦП

Принцип роботи даної схеми полягає в тому, що спочатку ми виділяємо цілу більшу частину числа (великий крок), а потім установлюємо з більшою точністю залишок.

Після першого АЦП одержуємо 4 старших розряди, на виході блоку віднімання маємо різницю вхідної напруги і напруги, отриманого шляхом зворотного перетворення вихідного коду першого АЦП. Частота перетворення таких АЦП забезпечує перетворення сигналів з частотою одиниць Мгц.