|
|
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Аналоговое и цифровое представление сигнала
5. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Главным компонентом схемы аналогового ввода является аналого-цифровой
преобразователь (АЦП). АЦП оцифровывает входной аналоговый сигнал, то
есть преобразует аналоговое напряжение в цифровую величину и хранит эту
величину в FIFO буфере до тех пор, пока она не будет передана в память
компьютера. Во время высокоскоростного сбора данных FIFO буфер
предотвращает потерю данных из-за задержек прерывания, которые могут
возникнуть при передаче данных в память компьютера. УСД используют
различные методы аналого-цифрового преобразования. Наиболее частот
используемые методы это: последовательного приближения, параллельный,
последовательно-параллельный, двойного интегрирования и дельта-сигма
модуляции.
Метод последовательного приближения
АЦП последовательного приближения - наиболее популярный тип АЦП,
используемый в УСД, поскольку его отличают высокое быстродействие и
высокая точность при вполне умеренной стоимости. На рисунке А-12
изображена схема 8-разрядного АЦП последовательного приближения.
Преобразователь последовательного приближения использует технику,
похожую на определение веса объекта при помощи набора гирь. Например,
предположим, что у вас имеется четыре гири 1 г, 2 г, 4 г и 8 г. Вы помещаете
объект на одну чашу весов, а наибольшую гирю на другую. Если стрелка весов
не сдвинулась, вы помещаете еще одну гирю с наибольшим весом. Если стрелка
сдвинулась, то вы убираете эту гирю и ставите вместо нее гирю полегче. Это
продолжается до тех пор, пока весы не будут уравновешены. Подсчитав число
гирь с соответствующими весами, вы определите вес объекта.
8-разрядный преобразователь последовательного приближения работает
подобным же образом. Регистр последовательных приближений устанавливает
все восемь разрядов ЦАП в 0. Затем, начиная с самого старшего разряда (ССР),
каждый бит устанавливается в 1, и компаратор (Комп) сравнивает выходное
напряжение. Если напряжение ЦАП не превышает входного, то бит остается
равным 1, в противном случае он устанавливается в 0. Цифровой код,
представляющий входное аналоговое напряжение, выводится после того, как
все п разрядов будут проверены. В случае 8-разрядного АЦП этот процесс
обычно занимает меньше 2 мкс. На рис. отображена
последовательность преобразования 8-разрядным АЦП последовательного
приближения.
Параллельный и последовательно-параллельный методы
Самый быстродействующий АЦП - это параллельный (flash) АЦП. При
использовании n-разрядного АЦП входное напряжение подается одновременно
на 2n-1 компараторов. Как показано на рис. ниже, каждый из компараторов
сравнивает входное напряжение с различным опорным напряжением. Опорные
напряжения последовательных компараторов кодируют разряды выходного
напряжения. Если входное напряжение больше или равно опорного
напряжения, выход компаратора равен 1, в противном случае - 0. Шифратор
транслирует выходные сигналы компараторов в цифровой код.
Параллельные преобразователи обычно имеют не более 8 разрядов выходного
кода. При большем числе разрядов АЦП становятся чрезмерно дорогостоящими
и громоздкими. Для удешевления продукта применяются последовательнопараллельные
АЦП, которые используют смешанную технику, что, однако,
приводит к уменьшению быстродействия по сравнению с параллельными АЦП.
Интегрирующий АЦП
Другой метод аналого-цифрового преобразования - интегрирующий -
использует интегрирование для оцифровки входного сигнала. АЦП такого типа
имеют ряд преимуществ - высокое разрешение, хорошую линейность и
подавление помех с использованием усреднения. Однако есть и серьезный
недостаток - низкая скорость преобразования. Поэтому интегрирующие АЦП
преимущественно используются в качестве цифровых вольтметров или других
устройств, не требующих большой частоты измерений.
Дельта-сигма модуляция
Самая современная технология в АЦП - это использование дельта-сигма
преобразования. АЦП такого типа используют дельта-сигма модуляторы
совместно с фильтрами защиты от наложения спектров и цифровыми
фильтрами. Они обеспечивают высокую частоту дискретизации, высокую
точность и наилучшую линейность среди всех типов АЦП. Например, АЦП
такого типа имеет разрешение 16 бит на частоте 48 кГц с полным отсутствием
дифференциальной нелинейности.
|
|
|
