8-900-374-94-44
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.
Аналого-цифровой преобразователь[1][2][3] (АЦП, англ.Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигналв дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).
Как правило, АЦП — электронноеустройство, преобразующеенапряжениев двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типыпреобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП являетсякомпаратор.
Цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП) —
устройство для преобразования цифрового
(обычно двоичного) кода в аналоговый
сигнал(ток,напряжениеилизаряд).
Аналого-цифровой преобразователь(АЦП) производит обратную операцию.
Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции(англ.PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.
Принцип аналого-цифрового преобразования информации.
В
большинстве случаев получаемый
непосредственно от источника информации
сигнал оказывается представленным в
форме непрерывно меняющегося по своему
значению напряжения либо тока (рис.
10.69). Таков, в частности, характер
электрического сигнала, соответствующего
телефонным, телевизионным и другим
видам сообщения. Для передачи таких
сообщений по линии связи или для их
обработки (например, при отфильтровании
помех) могут быть использованы две
формы: аналоговая или цифровая. Аналоговая
форма предусматривает оперирование
со всеми значениями сигнала, цифровая
форма с отдельными его значениями,
представленными в форме кодовых
комбинаций.
Дискретизация непрерывных сигналов. Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдельные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т (на рис. 10.69 моменты). Интервал Т называется тактовым интервалом времени, а моменты временив которые берутся отсчеты, — тактовыми моментами времени.
Следующая
операция, выполняемая при аналого-цифровом
преобразовании сигналов, — кодирование.
Смысл ее состоит в следующем. Округление
значения напряжения, осуществляемое
при операции квантования, позволяет
эти значения представлять числами —
номерами соответствующих уровней
квантования. Для диаграммы, представленной
на рис. 10.70, образуется последовательность
чисел: 3, 6, 7, 4, 1, 2 и т.д. Далее, получаемая
таким образом последовательность чисел
представляется двоичным кодом.
Цифро-аналоговые
преобразователи Ниже
будут рассмотрены цифро-аналоговые
преобразователи (ЦАП), построенные по
принципу суммирования напряжений или
токов, пропорциональных весовым
коэффициентам двоичного кода. Схема
ЦАП с суммированием напряжений.
Одна
из таких схем с суммированием напряжений
на операционном усилителе приведена
на рис. 10.71. Триггеры
образуют
регистр, в который помещаются двоичные
числа, предназначенные для перевода в
пропорциональные им значения напряжения
на выходе. Будем считать, что напряжение
на выходе каждого из триггеров может
принимать одно из двух возможных
значений: Е — при состоянии 1 и 0 при
состоянии 0.
Напряжения с выходов
триггеров передаются на выход ЦАП через
операционный усилитель, работающий в
режиме взвешенного суммирования
напряжений (аналогового сумматора).
Для каждого триггера предусматривается
отдельный вход в сумматоре с определенным
коэффициентом передачи.
Таким
образом, напряжение с выхода триггера
n-го разряда передается на выход усилителя
с коэффициентом передачи:;
этот коэффициент для (n-1)-го разряда:;
для (n-2)-го разряда:и
т. д.
Если
в состоянии 1 находятся одновременно
триггеры нескольких разрядов, то
напряжение на выходе усилителя равно
сумме напряжений, передаваемых на этот
выход от отдельных триггеров. Пусть
цифры отдельных разрядов двоичного
числа в регистре
.
Тогда напряжение на выходе
усилителяЗдесь
N — десятичное значение двоичного
числа, введенного в регистр.
Из
последнего выражения видно, что
напряжение на выходе ЦАП пропорционально
значению числа в регистре.
Рассмотрим
работу ЦАП в случае, когда на триггерахпостроен
двоичный счетчик.
Если подать на вход
этого счетчика последовательность
импульсов, то с приходом каждого
очередного импульса число в счетчике
будет увеличиваться на единицу и
напряжение на выходе ЦАП будет возрастать
на ступеньку, соответствующую единице
младшего разряда счетчика. Величина
такой ступеньки.
Таким образом, напряжение на выходе
ЦАП будет иметь ступенчатую форму, как
показано на рис. 10.72. После поступленияимпульсов
все разряды счетчика будут содержать
1, на выходе ЦАП образуется максимальное
напряжение
Недостатки рассмотренной схемы преобразователя:
используются высокоточные резисторы с различными сопротивлениями;
трудно обеспечить высокую точность выходного напряжения триггеров
| Справочное руководство по Electronics Workbench |
3.
3.4 Цифро-аналоговые и
аналого-цифровые преобразователи
Раздел: Аналогово-цифровая и цифро-аналоговая схемотехника
Теоретическое введение:
1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал – суммирование токов и напряжений. ЦАП широко применяется в различных устройствах автоматики для связи цифровых ЭВМ с аналоговыми элементами и системами.
Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода.
ЦАП преобразует цифровой двоичный код
Q4Q3Q2Q1 в аналоговую величину,
обычно напряжение U вых.
. Каждый разряд двоичного кода имеет
определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно
описать следующей формулой:
Uвых=e*(Q1 1+Q2*2+Q3*4+Q4*8+…), (1)
где e — напряжение, соответствующее весу младшего разряда, Qi — значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).
Например, числу 1001 соответствует
Uвых=у*(1*1+0*2+0*4+1*8)=9*e, а числу 1100
Uвых=e*(0*1+0*2+1*4+1*8)=12*e.
На рисунке 3.3.4.1 приведена схема цифро — аналогового преобразователя.
Упрощенная схема реализации ЦАП
представлена на рис1.
В схеме i – й ключ замкнут при Qi=1, при
Qi=0 – разомкнут. Регистры подобраны таким образом, что
R>>Rн.
Эквивалентное сопротивление обведенного пунктиром двухполюсника Rэк и сопротивление нагрузки Rн образуют делитель напряжения, тогда
Uвых = E Rн / Rэк + Rн » E*Rн / Rэк (2)
Проводимость двухполюсника 1 / Rэк равна сумме проводимостей ветвей (при Qi=1 i – ветвь включена, при Qi=0 – отключена):
1 / Rэк = Q1 / 8R + Q2 / 4R + Q3 / 2R + Q4 / R (3)
Подставив (3) в (2), получаем выражение, идентичное (1)
Uвых = (8Е Rн / R)*( Q1*1 + Q2*2 + Q3*4 + Q4*8 )
Очевидно, что е = 8Е Rн / R. Выбором е можно
установить требуемый масштаб аналоговой величины.
2. Аналогово-цифровые преобразователи. В информационных и управляющих системах часть (или вся) информация от датчиков бывает представлена в аналоговой форме. Для ее ввода в цифровые ЭВМ и цифровое управляющее устройство широко применяются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). В большинстве случаев АЦП выполняют преобразование входного напряжения или тока в двоичный цифровой код.
Существуют различные типы АЦП. Мы остановимся лишь на тех типах, которые получили в настоящее время наибольшее распространение.
Рисунок 3.3.4.2 — Схема АЦП последовательного приближения
2.1. АЦП последовательного приближения
(АЦППП). Структурная схема АЦППП приведена на рисунке 3.3.4.2. Схема работает
следующим образом. Входной аналоговый сигнал Uвх перед началом преобразования
запоминается схемой выборки – хранения ВХ, что необходимо, так как в процессе
преобразования необходимо изменение аналогового сигнала.
Далее по команде “Пуск”
с помощью сдвигового регистра последовательно во времени каждый триггер Ti,
начиная со старшего разряда, переводит в положение 1 соответствующий разряд ЦАП.
Напряжение U1 (или ток) с выхода ЦАП сравнивается с входным аналоговым сигналом
с помощью компаратора КП. Если U0 > U1, на выходе компаратора сохраняется
низкий уровень и в триггере сохраняется единица, при U0 < U1 срабатывает
компаратор и переводит триггер в положение 0. После окончания цикла на выходах
триггеров получается двоичный код, соответствующий (при идеальных элементах) U0
с точностью до половины младшего разряда.
Погрешность АЦППП определяется неточностью ЦАП, зоной нечувствительности и смещением нуля компаратора, а также погрешностью схемы выборки – хранения.
Поскольку в такой схеме ошибка в каком
– либо разряде в дальнейшем не корректируется, необходимо, чтобы время на
“взвешивание” каждого разряда было достаточно для затухания переходного процесса
до уровня, соответствующего половине младшего разряда, и чтобы при разбалансе U1
– U0 на это значение компаратора успел сработать.
Общее время
преобразования
tпр=tвх+n(tз,к+tу+tц)+tcб,
где tвх – время, необходимое для фиксации Uвх схемой ВХ; n – число разрядов; tз,к – время задержки, вносимое компаратором; tу – время установления U1 на входе ЦАП; tц – время задержки цифровых элементов в схеме управления и срабатывания триггера; tсб – время, необходимое для сброса ЦАП в исходное состояние, включая время, необходимое для синхронизации с началом такта.
Наибольшую долю в tпр обычно вносит tу, наибольшая величина которого может быть оценена следующим образом:
tу=(1+n)Тэln2,
где Tэ – эквивалентная постоянная
времени на входе ЦАП. Если на его выходе включен ОУ, который полезен для
уменьшения выходного сопротивления и ускорения тем самым переходного процесса,
то Tэ» 1/2p fср (fср – частота среза ОУ по контуру обратной свази).
При 12 – разрядном АЦП и использовании быстродействующего ЦАП с tу=100 нс время tпр близко к 1,5 мкс. В большинстве случаев tпр такого преобразователя достигает 10 – 100 мкс.
2.2. АЦП параллельного типа (АЦПП). Существенное уменьшение tпр удается получить в АЦП параллельного типа. Его структурная схема приведена на рис3. Здесь входная аналоговая величина U0 с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью 2n+1 – 1 компараторов с 2(2n-1) эталонными уровнями, образованными делителями из резисторов равного сопротивления. При этом срабатывают m младших компараторов, образующих на выходах схем И-НЕ нормальный единичный код, затем который с помощью специального дешифратора ДШ преобразуется в двоичный выходной сигнал.
Погрешность АЦПП определяется
неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и
погрешностями компараторов.
Значительную роль могут играть входные токи
компараторов, если делитель недостаточно низкоомный. На рисунке 3.3.4.3
приведена структурная схема АЦП параллельного типа.
Рисунок 3.3.4.3 — Схема АЦП параллельного типа.
Время преобразования складывается из следующих составляющих:
tпр = tвх + tз,к + a tл,сi ,
где tл,сi– Время задержки логичесих схем; k – число последовательно включенных логических схем.
При использовании компаратров со стробированием АЦПП может быть без схемы ВХ. При этом он обеспечивает наибольшее быстродействие по сравнению с любыми другими АЦП.
Рисунок 3.3.4.4 — АЦП и ЦАП.
На рисунке 3.3.4.4, показана схема для преобразование
аналоговой величины (напряжения) в цифровой код и обратное проебразование
цифрового кода в аналоговую величину.
Процесс работы схемы показан на временной
диаграмме. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу АЦП и ЦАП, приведена на
рисунке 3.3.4.5.
Рисунок 3.3.4.5 — Диаграмма работы АЦП и ЦАП.
Задание:
Аналого-цифровой преобразователь, или аналого-цифровой преобразователь, или сокращенно АЦП, обычно представляет собой электронный компонент, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал.
Типичный аналого-цифровой преобразователь преобразует входной сигнал напряжения в выходной цифровой сигнал.
Каталог
Аналоговый сигнал относится к информации, выражаемой непрерывно изменяющимися физическими величинами, такими как температура, влажность, давление, длина, ток, напряжение и т. д. Обычно мы называем аналоговый сигнал непрерывным сигнал, который может иметь бесконечно много различных значений в определенном временном диапазоне. Цифровой сигнал представляет собой дискретный и прерывистый сигнал с точки зрения значений.
Схема, преобразующая аналоговый сигнал в цифровой, называется аналого-цифровым преобразователем (называемым аналого-цифровым преобразователем или АЦП). Поэтому, как правило, во время аналого-цифрового преобразования происходит 4 процесса: выборка, хранение, квантование и кодирование. В реальной схеме некоторые из этих процессов совмещены, например, выборка и хранение. Квантование и кодирование часто выполняются одновременно в процессе преобразования.
Теперь требуется, чтобы программное обеспечение, радио, получение цифровых изображений имели высокоскоростную аналогово-цифровую дискретизацию для обеспечения эффективности и точности, общие измерения и системы управления также хотят добиться прорыва в точности. Волна цифровизации человечества привела к непрерывной трансформации аналого-цифрового преобразователя, и аналого-цифровой преобразователь является пионером человечества в достижении цифровизации. За последние 30 лет аналого-цифровой преобразователь претерпел множество технологических новшеств: от флэш-АЦП, АЦП последовательного приближения, интегрирующего АЦП, а также недавно разработанного сигма-дельта АЦП и АЦП с поточной линией. Они имеют свои преимущества и недостатки и могут использоваться в различных приложениях.
Процесс преобразования АЦП (аналогово-цифровой преобразователь)
Процесс преобразования АЦП
Основной принцип преобразования АЦП делится на четыре процесса.
(1) Сглаживание, которое можно понимать как фильтр нижних частот.
(2) Цепь отбора проб и удержания.
(3) Квантование
(4) Кодирование
Выборка и хранение
Выборка — это процесс замены исходного сигнала, который был непрерывным во времени, последовательностью значений выборки сигнала через равные промежутки времени, т. е. дискретизация аналогового сигнала во времени. Результаты выборки сохраняются до следующей выборки, и этот процесс называется удержанием.
Квантование и кодирование
Квантование – это преобразование непрерывной амплитуды аналогового сигнала в конечное число дискретных значений с определенным интервалом с использованием конечного числа значений амплитуды, которые приближаются к исходному непрерывно меняющемуся значению амплитуды. Кодирование заключается в соответствии с определенными правилами представления квантованного значения двоичными числами с последующим преобразованием его в двоичный или многозначный цифровой сигнальный поток.
Полученные таким образом цифровые сигналы могут передаваться по цифровым линиям, таким как кабели, микроволновые магистрали, спутниковые каналы и т. д.
Этот процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой через АЦП называется квантованием. Из-за того, что квантование выходного цифрового сигнала ограничено числом битов, выходной цифровой сигнал и аналоговый сигнал, который вы сэмплируете, будут иметь ошибку, известную как ошибка квантования. Для N-разрядного АЦП, предполагая, что его полное напряжение Vref, Vref АЦП делится на 2N интервалов, ширина интервала с LSB ((последний значащий бит) указывает LSB=Vref/2N.
Например, Vref = 8 В, АЦП — 3 бита, LSB = 1, поэтому каждый интервал равен 1 В. Разрешение этого АЦП — 1 В.
000 означает напряжение 0 ≤ V < 1
001 означает напряжение 1 ≤ V < 2
010 означает напряжение 2 ≤ V < 3
011 означает напряжение 3 ≤ V < 4
100 означает напряжение 4 ≤ V < 5
101 означает напряжение 5 ≤ V < 6
110 представляет собой напряжение 6 ≤ V < 7
111 представляет собой напряжение 7 ≤ V < 8
Выход АЦП и ошибка
Существует множество типов аналого-цифровых преобразователей, которые можно разделить на косвенных АЦП и прямых АЦП в соответствии с различными принципами работы.
Косвенный АЦП предназначен для того, чтобы сначала преобразовывать входное аналоговое напряжение во время или частоту, а затем преобразовывать эти промежуточные величины в цифровые величины. Широко используемый косвенный АЦП — это АЦП с двойной характеристикой, промежуточной величиной которого является время.
1 Флэш-АЦП В результате того, что флэш-АЦП использует величину параллельного сравнения, выходной код также генерируется параллельно одновременно, поэтому скорость преобразования является его выдающимся преимуществом, в то время как скорость преобразования и количество выходного кода биты независимы. Недостатками Flash ADC являются высокая стоимость и высокое энергопотребление. Из-за n-разрядного выходного АЦП, для которого требуется 2n резисторов, (2n-1) компараторов и D-триггеров, а также сложной схемы кодирования, количество его компонентов увеличивается в геометрической прогрессии с увеличением количества битов.
Таким образом, этот тип АЦП подходит для ситуаций, когда требуется высокая скорость и низкое разрешение.
Принципиальная схема флэш-АЦП
2 АЦП последовательного приближения (АЦП последовательного приближения) АЦП последовательного приближения — это другой вид прямого АЦП, который также генерирует ряд сравнительных напряжений VR. В отличие от флэш-АЦП, он генерирует сравнительные напряжения один за другим и сравнивает их с входными напряжениями один за другим, а также выполняет аналого-цифровое преобразование путем постепенного приближения. АЦП последовательного приближения выполняет побитовое сравнение для каждого преобразования и требует (n + 1) биений для завершения, поэтому он медленнее, чем скорость преобразования АЦП параллельного сравнения, намного быстрее, чем АЦП двойного дробного произведения, который принадлежит к среднескоростному устройству АЦП. Кроме того, для него требуется гораздо меньше компонентов, чем для флэш-памяти, поэтому он является одним из наиболее широко используемых интегрированных АЦП.
Принципиальная схема АЦП последовательного приближения
3 АЦП с двойной фазой АЦП с двойной фазой относится к непрямому АЦП, который дважды интегрирует входное напряжение выборки и опорное напряжение для получения временного интервала, пропорционального среднему значению напряжения выборки. При этом он отсчитывает стандартный тактовый импульс (СР) счетчиком в этом интервале времени, а результатом на выходе счетчика является соответствующая цифровая величина. Преимуществами АЦП с двойным интегралом являются высокая помехоустойчивость, хорошая стабильность и возможность реализации высокоточного аналого-цифрового преобразования. Основным недостатком является низкая скорость преобразования, поэтому этот тип преобразователя в основном используется в контрольно-измерительных приборах, требующих высокой точности, но не высокой скорости преобразования, таких как многоразрядный высокоточный цифровой вольтметр постоянного тока.
Схематическая схема ADC с двумя наклонными наклонными. или десятичное) число. Это указывает на способность аналого-цифрового преобразователя различать входные сигналы. Теоретически n-разрядный выход аналого-цифрового преобразователя может различать 2n различных уровней входного аналогового напряжения, а минимальное значение, позволяющее различать входные напряжения, составляет 1/2n от полной шкалы. Например, если выход аналого-цифрового преобразователя составляет 8 двоичных разрядов, а максимальное значение входного сигнала равно 5 В, то преобразователь должен уметь различать минимальное напряжение входного сигнала, равное 19.0,53 мВ.
(2) Ошибка преобразования
Ошибка преобразования обычно указывается в виде максимального значения ошибки вывода. Он представляет собой разницу между фактическим цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя и теоретическим выходом цифровой величины. Обычно он выражается как кратное наименьшему эффективному биту.
Например, относительная ошибка не превышает ±LSB/2, что указывает на то, что ошибка между фактической выходной цифровой величиной и теоретически желательной выходной цифровой величиной составляет менее половины слова самого младшего эффективного бита.
Время преобразования — это время, которое требуется аналого-цифровому преобразователю для преобразования управляющего сигнала с момента его поступления до момента получения на выходе стабильного цифрового сигнала.
Скорость преобразования значительно различается в зависимости от типа конвертера. Параллельные сравнительные аналого-цифровые преобразователи имеют самую высокую скорость преобразования. Однокристальные интегрированные аналого-цифровые преобразователи с 8-битным двоичным выходом имеют время преобразования менее 50 нс, за ними следуют аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения, большинство из которых имеют время преобразования менее 10–50 мкс.
Непрямые аналого-цифровые преобразователи являются самыми медленными, например, двухскатные аналого-цифровые преобразователи со временем преобразования в основном от десятков миллисекунд до сотен миллисекунд. В практических приложениях выбор аналого-цифровых преобразователей должен учитывать общее количество бит системных данных, требования к точности, диапазон входного аналогового сигнала и полярность входного сигнала.
Точность дискретизации — т. е. разрешение, обычно 8, 10, 12, 16 бит и т. д.
Время преобразования — т. е. время, необходимое для каждой выборки, характеризующее скорость преобразования АЦП, которая зависит от тактовой частоты АЦП, периода выборки и периода преобразования.
Методы вывода данных – напр. параллельный выход, последовательный выход.
Типы АЦП — как упоминалось выше, существует много типов АЦП, и разные типы имеют разные пределы производительности.
Рабочее напряжение — необходимо обратить внимание на диапазон рабочего напряжения АЦП, возможность прямого измерения отрицательных напряжений и т.
д.
Упаковка микросхемы — соответствует ли упаковка микросхемы требованиям к конструкции продукта.
Соотношение цены и качества — контроль расходов.
Принципы АЦП – Входной сигнал сравнивается с внутренним напряжением, которое постепенно увеличивается, начиная с нуля. Подсчитывается количество шагов, необходимых для достижения полной компенсации. Простым типом компенсации является лестничный пандус.
Блок-схема лестничного пандуса Тип: Основной принцип заключается в том, что входной сигнал V i сравнивается с внутренним напряжением лестницы, V c , генерируемым последовательной схемой, состоящей из генератора импульсов ( часы), счетчик, подсчитывающий импульсы, и цифро-аналоговый преобразователь, преобразующий выход счетчика в сигнал постоянного тока. Как только V c становится равным V i , входной компаратор закрывает вентиль между часами и счетчиком, счетчик останавливается, и его результат отображается на дисплее.
Основная блок-схема показана на рис. 5.8.
Часы непрерывно генерируют импульсы. В начале измерения счетчик сбрасывается на 0 в момент времени t 1 , так что выход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) также равен 0. Если V i не равно нулю, входной компаратор применяет выходное напряжение, которое открывает затвор, так что тактовые импульсы передаются на счетчик через затвор. Счетчик начинает считать, и ЦАП начинает создавать выходное напряжение, увеличивающееся на один небольшой шаг при каждом счете счетчика. В результате на второй вход компаратора подается ступенчатое напряжение, как показано на рис. 5.9..
Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение лестницы не станет равным или немного превысит входное напряжение V i . В этот момент t 2 выходное напряжение входного компаратора меняет состояние или полярность, так что затвор закрывается и счетчик останавливается.