Теоретические сведения. Цель работы:изучить принципы аналого-цифрового преобразования и типы АЦП

Лабораторная работа 2. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Цель работы: изучить принципы аналого-цифрового преобразования и типы АЦП. Разработать программу измерения аналоговой величины методом последовательного приближения (половинных приближений).

Теоретические сведения

В зависимости от того, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую, различают параллельные, последовательные и последовательно-параллельные АЦП.

В системах где основным критерием является быстродействие применяют АЦП параллельного преобразования. Но АЦП этого типа достаточно сложны в реализации. Для n-разрядного АЦП необходимо 2ⁿ-1 компараторов и параллельный делитель напряжения, который вырабатывает 2ⁿ-1 уровней квантования.

Одним из самых распространенных является АЦП, построенный на цифро-аналоговом (ЦАП) преобразователе. Схема этого последовательного АЦП приведена на рисунке 1.

Рис.1 Схема АЦП на базе ЦАП

Код формируется счетчиком, при организации жесткой логики, или программно, если АЦП работает в составе вычислительного комплекса. Входной код преобразовывается в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Напряжение с выхода ЦАП поступает на один из входов компаратора. На другой вход подается измеряемое напряжение U_x. В момент, когда напряжение ЦАП будет равно измеряемому, компаратор формирует сигнал ’Stop’ который свидетельствует об окончании цикла измерения.

При формировании кода используются различные алгоритмы. Простейшим алгоритмом является алгоритм последовательного счета. При таком подходе код меняется от минимального путем приращения единицы младшего разряда до тех пор, пока напряжение ЦАП не сравняется с измеряемым напряжением (рис.2). Недостатком алгоритма последовательного счета является маленькое быстродействие.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_такт равно

. (1)

Например, при N =10 и f_такт =1 МГц t_{пр.макс} =1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.

Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

Для сокращения времени преобразования применяется метод последовательного приближения (половинных приближений). Уравновешивание начинается со старшего разряда. В этом разряде устанавливается единица и читается состояние компаратора. Если напряжение ЦАП больше измеряемого то разряд сбрасывается, а если меньше, то разряд сохраняет свое состояние. Дальше таким же образом обрабатывается следующий разряд. Преобразование заканчивается тогда, когда будут обработаны все разряды. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 10⁵...10⁶ преобразований в секунду.

Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП

В системах слежения, за какими либо параметрами часто необходимо непрерывно считывать состояние датчика. Это обеспечивается малым временем преобразования за счет применения следящего АЦП. Суть данного алгоритма заключается в том, что сначала код формируется методом половинных приближений. А после сравнения с измеряемым напряжением АЦП отслеживает изменение напряжения. Если напряжение растет то код поразрядно увеличивается до тех пор, пока напряжение ЦАП не сравняется с измеряемым, и наоборот.