Глава 3. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

 

Содержание главы:

·        3.1. Основные принципы АЦП;

·        3.2. Основные принципы ЦАП.

 

3.1. Основные принципы АЦП

В АЦП входным сигналом является напряжение, выходным – соответствующий этому значению цифровой код. Для АЦП с высокочастотными сигналами часто необходимо квантование входного напряжения по времени и поддержание выбранного зна­чения напряжения в течение всего времени преобразования. Эта операция выполняется отдельным устройством. В самом АЦП происходит квантование входного напряжения по уровням с соответствующим отображением в виде цифрового кода.

Принцип АЦП, состав и структурные схемы в значительной мере зависят от метода преобразований. АЦП по способу преобразования разделяются на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

В последовательных АЦП входной аналоговый сигнал (далее входной сигнал) уравновешивается либо суммой эталонов, т.е. минимальных для данного преобразователя и равных друг другу мер (АЦП счета), либо набором из n эталонов, выработанных внутри преобразователя (где n – число разрядов АЦП) и взвешенных по двоичному счислению (АЦП сравнения). К последова­тельным АЦП счета относят преобразователи с накоплением, без промежуточного преобразования, с промежуточным преобразова­нием и интегрирующие [1].

К АЦП без промежуточного преобразования можно отнести преобразователи напряжение-частота. Частота повторения вы­ходных импульсов таких преобразователей пропорциональна зна­чению входного сигнала. Среди АЦП с промежуточным преобразо­ванием чаще других используются преобразователи во времен­ной интервал и частоту. В первом случае происходит последо­вательное преобразование входного сигнала во временной интервал и временного интервала в цифровой код. Во втором случае осуществляется последовательное преобразование входного сигнала в импульсы соответствующей частоты от генератора плавающей частоты, которые затем подсчитываются счетчиком за определенный интервал времени. Число зафиксированных им пульсов пропорционально входному сигналу.

Распространение получили интегрирующие АЦП с двухтактным интегрированием и с дискретной обратной связью. В преобразователях с двухтактным интегрированием выделяют АЦП с интегрированием входного сигнала за постоянный интервал времени и с интегрированием входного сигнала до заданной величины. Принцип их действий сводится к следующему: в первом такте интегрируется входной сигнал, во втором – противоположный ему по знаку опорный сигнал. Окончание первого такта интег­рирования является началом второго. В течение выбранного такта интегрирования ведётся счет импульсов, который прекращается в момент равенства нулю сигнала на выходе интегратора. Число зафиксированных счетчиком импульсов пропорцио­нально входному сигналу АЦП [1].

В интегрирующих АЦП с дискретной обратной связью осуществляется одновременное измерение входного сигнала и счет импульсов генератора в течение цикла преобразования. На входе интегратора происходят управляемый специальным устрой­ством процесс суммирования или вычитания эталонных токов, поддерживающих выходное напряжение интегратора равным опор­ному. Число импульсов в счетчике пропорционально входному сигналу и определяется временем, необходимым для уравновешения заряда в конденсаторе интегратора эталонными токами. Аналого-цифровые преобразователи сравнения конвейерно­го типа представляют собой достаточно сложные схемы с большим числом аналоговых устройств. В последнее время они не находят широкого распространения в связи с появлением микросхем быстродействующих параллельных АЦП.

В каскадных АЦП сравнения можно выделить преобразователи с постоянными и переменными порогами, кодом Грея. В наибо­лее простых преобразователях с переменными порогами в каж­дом разряде преобразования используется компаратор. Порого­вое напряжение первого компаратора (старшего разряда) пос­тоянно и равно половине опорного напряжения 1/2Uоп. Порог срабатывания второго компаратора изменяется с помощью одно­разрядного ЦАП, управляемого первым компаратором, и соответ­ствует 3/4Uоп. Порог срабатывания n-го компаратора изменяется с помощью соответствующего ЦАП, управляемого предыдущими компараторами, и равен (2n–1)2nUоп, n – число разрядов АЦП. Цифровая информация получается с выхода каждого из n компараторов.

Наибольшее распространение среди АЦП сравнения получи­ли преобразователи, реализующие принцип последовательных приближений. В АЦП последовательных приближений используются, как правило, ЦАП в цепи ОС и счетчик или регистр в качестве устройства управления. Сравнение входного сигнала с опорным ведется, начиная со значения 1/2Uоп, соответствующего старшему разряду выходного кода. Таким образом, n-разрядное преобра­зование выполняется всего за n тактов приближений. Разновид­ностью АЦП последовательных приближений являются преобра­зователи следящего типа, использующие реверсивный счетчик. В зависимости от результата сравнения входного и компен­сирующего сигналов ОС он изменяет код на входе ЦАП в цепи ОС таким образом, чтобы код на выходе АЦП поддерживался около заданного значения с требуемой точностью.

В работе параллельных АЦП общим является то, что преоб­разуемый сигнал подается сразу на ряд параллельно включен­ных компараторов; Для получения цифрового кода сигналы с вы­ходов компараторов обрабатываются в кодирующем устройстве. Параллельные АЦП являются наиболее быстродействующими и в последнее время получили значительное развитие в связи с дости­жениями в области изготовления БИС и СБИС.

В последовательно-параллельных АЦП используется сочетание методой последовательного и параллельного преобразова­ния. В простейшем случае два и более параллельных АЦП рабо­тают последовательно во времени. Первый АЦП вырабатывает n старших разрядов выходного кода. Цифровая информация с выхо­да АЦП поступает на вход ЦАП, результат преобразования кото­рого сравнивается с выходным сигналом. Получившийся остаток поступает на вход другого АЦП для получения m младших разря­дов выходною кода [1].

Микроэлектронным АЦП присущи расширенные функциональные возможности, позволяющие использовать их в современных сис­темах управления и обработки данных на основе МП и микроЭВМ.

Рассмотрим структурную схему АЦП последовательного сче­та с двухтактным интегрированием (рис.3.9а). При пуске преобразо­вателя входное напряжение через переключатель П по­дается на вход интегратора ИНТ. Напряжение интегратора Uинт поступает вместе с постоянным напряжением U0 на вход компара­тора К. В момент t1 (рис.3.96), когда Uинт становится равным U0, сигнал с компаратора К подается на схему управления СУ, которая вызывает вклю­чение счетчика СЧ. На счетчик с момента t1 подаются импульсы с генератора тактовой частоты ГТЧ. Интегрирование ведется до момента t2, когда на счетчик поступает заданное число импульсов, и он будет сброшен в исходное положение. С этого момента через СУ подается сигнал на переключатель П. При этом на вход интегратора подается опорное напряжение Uоп, имеющее полярность, противоположную Uвх. Напряжение на интеграторе уменьшается до момента t3, когда Uинт станет равным U0, и с компаратора будет выдан сигнал на прекращение работы счетчика и отключение  Uоп. На нем будет записан код

где Т - период тактовой частоты; b - число разрядов счетчика.

В рассмотренной схеме, за счет использования одних и тех же узлов на обоих этапах интегрирования Uвх и Uоп исключаются погрешности в формировании линейно изменяющегося напряже­ния, ошибки в срабатывании компараторов, погрешности в ста­бильности источника тактовой частоты, подавляются наложен­ные на сигнал помехи. К недостаткам преобразователя можно отнести невысокое быстродействие, обусловленное процессами интегрирования  и Uвх и Uоп.

Структурная схема АЦП поразрядного кодирования показа­на на рис.3.10. В схему входит ЦАП, формирующий под действием кода регистра последовательного приближения эталон­ный сигнал Uэ. Процесс уравновешения Uвх и Uэ происходит последовательно путем сравнения этих напряжений. Сравнение начинается со старшего разряда. При этом регистр старшего разряда устанавливается в состояние лог.1, а остальные - в состояние лог.0. На выходе ЦАП появляется напряжение Uэb, соответствующее старшему разряду входного кода в ЦАП. Это напряжение сравнивается с Uвх. В зависимости от результата этого сравнения формируется окончательное значение старшего разряда кода регистра (выходного кода АЦП).

 

Рис. 3.9. АЦП последовательного счёта с двухтактным интегрированием

а) структурная схема; б) временная диаграмма

 

Если Uэb>Uвх, то в старшем разряде ставится 0 и далее производится сравнение Uвх с напряжением Uэ(b-l), соответствующим следующему разряду b–1 . Если Uэb<Uвх, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшем производится сравнение разности UвхUэb  с вели­чиной Uэ(b-1). Далее процесс преобразования идет аналогично. В результате преобразования напряжение Uвх уравновешивается суммой напряжений, снимаемых с ЦАП:

где а1 – коэффициенты 1 и 0 в разрядах выходного кода, сни­маемого с регистра;

      Uэi – напряжение ЦАП, соответствующее i-му разряду.

 

Рис. 3.10. Структурная схема АЦП поразрядного кодирования

 

В  рассмотренном  ЦАП  время  преобразования  постоянно и определяется, в основном, числом разрядов и тактовой частотой   fт.

Погрешность   преобразования   зависит  от   ошибок   ЦАП   и   чув­ствительности    компаратора.

Структурная схема АЦП параллельного действия показана на рис.3.11. Принцип работы преобразователя основан на од­новременном сравнении входного сигнала с 2b–1 эталонами, соответствующими b-разрядному двоичному коду, и кодировании результатов этого сравнения. В преобразователе 2b –1 формируются опорные напряжения с помощью резисторного делителя. Каждое опорное напряжение подается вместе с Uвх (UIRM) на соответствующий компаратор. Срабатывают лишь те компараторы, у которых Uвх>Uоп(UREF). Результат сравнения через фиксирующие триггеры Т подается на кодопреобразователь, преобразующий его в выходной код.

 

Рис. 3.11. Структурная схема АЦП параллельного действия

 

Подобные преобразователи являются наиболее быстродействующими, так как преобразование осуществляется за один цикл (одна операция сравнения). Недостаток  этих   преобразователей  состоит   в   большом   числе   компараров, которое быстро нарастает с ростом числа разрядов.

При необходимости иметь повышенную разрядность (с сохранением высокого быстродействия при приемлемой сложности применяют параллельно-последовательные         (комбинированные) АЦП. В них несколько малоразрядных АЦП параллельного действия  соединяются последовательно между собой. Пример построения комбинированного АЦП   показан на рис. 3.12.  

Рис. 3.12. Структурная схема комбинированного АЦП

 

Входной аналоговый сигнал подаётся на первый АЦП, на выходе которого формируются старшие разряды выходного кода. Эти разряды подключаются также на вход ЦАП. Выходной сигнал ЦАП сравнивается в усилителе разности (УР) с входным сигналом.  Разнос этих сигналов подается на вход второго АЦП,   который   преобразует его в выходной код младших разрядов.

 

3.2. Основные принципы ЦАП

назад к Содержанию

Микросхемы цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) обеспечивают преобразование входной информации в цифровой форме в выходную информацию в аналоговой форме. В ЦАП,   построенных на микросхемах, в качестве входного (цифрового) сигнала чаще всего используется двоичный код.  Выходным (аналоговым) сигналом является напряжение (ток).

Микроэлектронные ЦАП в общем случае можно разделить на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием.

Преобразователи с прямым преобразованием делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Большинство микроэлектронных ЦАП параллельного типа. В основу их работы положено суммирование токов, соответствующих весам разрядов преобразователя.

Для ЦАП выходное напряжение определяется следующим   образом:

Uвых = k Uоп (a1*2-1+ a2*2-2+…+ ab*2-b)                                                                 (9)

где Uоп – опорное (эталонное) напряжение;

       а1, а2,...,аb - коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значения 0 и 1;

       b – число разрядов;

       k – коэффициент пропорциональности.

Известны ЦАП, в которых входной код вначале преобразуется в промежуточную величину, представленную длительностью или частотой следования импульсов, а затем преобразуется в соответствующий выходной сигнал. Код записывается в регистр, сигнал с выхода которого  управляет подключением ис­точника эталонного напряжения на вход низкочастотного фильтра. Фильтр выделяет из серии промежуточных сигналов среднее значение или постоянную составляющую напряжения, пропорциональную входному коду.

В большинстве серийных преобразователей осуществляет­ся преобразование входною кода сначала в ток, а затем – в напряжение. Обобщённая структурная схема ЦАП, соответствующего таким преобразованиям, приведена на рис.3.13.

 

Рис. 3.13. Структурная схема ЦАП

 

В нее входят следующие основные узлы: резисторная матрица, с помощью которой формируются токи, соответствующие входному коду ЦАП; токовые ключи, подключающие в соответствии с входным кодом цепи резистивной матрицы; согласующее устройство для согласования входа ЦАП с цифровыми микросхемами (ТТЛ, ЭСЛ, КМДП, микропроцессорами и др.). В ряде ЦАП использует­ся дополнительный узел – генераторы тока, обеспечивающие точное поддержание токов, соответствующих входному коду. Кроме того, в структурную схему    входит источник опорного напряжения. Все перечисленные узлы обеспечивают преобразование кода в ток. Для обеспечения выполнение функции преобразования   код-напряжение необходим   еще операционный усилитель (ОУ), преобразующий ток в напряжение. Операционный усилитель и источник опорного напряжения сложно выполнить технологически на одном кристалле с остальной частью преобразователя, поэтому эти узлы часто выполняют в виде    отдельных микросхем.

Рассмотрим принципы построения основных узлов ЦАП. Резисторная матрица может иметь различную структуру:  в виде цепочки двояко-взвешенных (по номиналам) резисторов или в виде многозвенной цепочки из резисторов лишь двух номиналов (R – 2R).

Вариант матрицы со взвешенными резисторами показан на рис. 3.14а. Здесь каждому, разряду соответствует свой разрядный ток I1, I2,…, Ib. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, сопротивление которых удваивается при переходе от старшего разряда к младшему. Основные недостатки рассмотренной структуры: широкий диапазон сопротивлений; их высокая требуемая точность,  особенно при большом числе разрядов входного кода.

Вариант резистивной матрицы с резистивной сеткой R – 2R показан на рис.3.14б. Здесь используются резисторы только двух номиналов. Формирование тока, соответствующего    данному разряду, в этой схеме осуществляется за счет как последовательных, так и параллельных цепей, сопротивлений. При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в 2 раза (как и в схеме, показанной на рис. 3.14a).

 

Рис. 3.14. Резистивные матрицы

а) со взвешивающими резисторами; б) с резисторной сеткой R – 2R

 

Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные    токи. Для преобразователей среднего и низкого быстродействия широко применяются ключи на КМДП-транзисторах, характеризующие­ся малым потреблением энергии. Ключи для   быстродействующих ЦАП строятся обычно на биполярных транзисторах и диодах. Схема ключа на КМДП-транзисторах с согласующим устройством показана на рис 3.15.

 

Рис. 3.15. Схема токового ключа на КМДП-транзисторах

 

В этой схеме транзисторы VT1, VT2 служат для согласования с микросхемами на входе ЦАП, транзисторы VT4-VТ7 используются для управления ключевыми транзисторами VT8, VT9, которые подключают разрядные токи резистивной матрицы к одной из двух выходных шин. Через транзистор VТ3 осуществляется положительная обратная связь для уменьшения времени переключения.

Генераторы токов предназначены для стабилизации токов, изменяющихся в первую очередь за счет колебаний температуры. Один из вариантов генераторов тока (ГТ) с обратной связью приведен на рис.3.16. В этой схеме транзисторы VT1-VT4 стабилизируют токи резистивной матрицы R-8R. Вспомогательный транзистор вместе с усилителем образуют схему управления, обеспечивают стабилизацию тока транзисторов VT1-VT4 [1].

 

Рис. 3.16. Схема генератора токов с устройством управления

 

Эта стабилизация осуществляется следующим образом. Изменение разрядных токов от расчётных величин контролируется по току коллектора вспомогательного транзистора VT0, идентичного транзисторам VТ1-VT4 и находящегося с ними в одинаковых температурных условиях. Если через цепь коллектора протекает заданный ток Ik, то сигнал коррекции с выхода ОУ не будет сниматься на базы транзистора VТ0-VT4 (баланс ОУ), и режим транзисторов не изменится. При отклонении Ik от заданного на базы транзисторов VT1-VT4 будет подаваться сигнал коррекции. Выходным усилителем обычно служит ОУ, который суммирует разрядные токи. Напряжение на выходе ОУ пропорционально входному току:

где RОС – сопротивление обратной связи ОУ.

Источник опорного напряжения чаще всего бывает внешним, но в некоторых случаях его встраивают в микросхему ЦАП. Опорное напряжение может поддерживаться постоянным, либо изменяться по определенному закону (перемножающий ЦАП). В состав простейшей схемы параллельного ЦАП обычно входят: ИОН, резистивные или активные делители, ключевые элементы, ОУ. Для повышения быстро­действия ЦАП обычно используют матрицы с малыми значениями сопротивлений. Однако при этом снижается точность преобразования.

В качестве делителей в схеме чаще применяются матрицы R – 2R из взвешенных резисторов. Суммирование токов, образованных под­ключением соответствующих источников, производится ОУ [1].

Вместо резистивных делителей в параллельных ЦАП могут быть использованы активные делители тока. Типовая схема такого преобразователя содержит, как правило, источник опорного тока, делители тока по числу разрядов входного кода, ключевые элементы, суммирующий ОУ, вспомогательные элементы. Широко распространены транзисторные делители тока с согласованными параметрами. При условии идентичности параметров,     электрических режимов и нагрузки транзисторной пары общий эмиттерный ток делится пополам. Последовательным делением тока на два образуется двоичный ряд токов. При потенциале, соответствующем лог.1 разрядный весовой ток через переключатель поступает на суммирующий ОУ. В противном случае происходит его отключение от ОУ.

Микроэлектронные ЦАП обладают рядом функциональных особенностей. Они могут, например, работать с постоянным или изменяющимся напряжением от ИОН. Преобразователи,   работающие с изменяющимся опорным напряжением, называют умножающими. В умножающих ЦАП применяется токовые ключи на основе МОП транзисторов в режиме малых напряжений стока, что дает им возможность работать с опорным напряжением произвольных знака и формы. Выходной сигнал такого ЦАП может располагаться в любом из четырех квадрантов в зависимости от знаков, принимаемых сомножителями в уравнении:

Uвых = КUопF(t),                                                                              (11)

где К – коэффициент передачи (функция кода);

      Uоп – опорное напряжение;

      F(t) – функция изменения Uоп.

Для переменного опорного напряжения уравнение примет вид:

Uвых = КUоп                                                                                (12)

Наконец, умножающие ЦАП способны преобразовать изменяющийся сигнал от ИОН в выходной сигнал Uвых при заданном и постоянном  входном коде [1].

Микроэлектронные ЦАП могут быть функционально завершенными, т.е. не требующими для работы внешних допол­нительных устройств. Как правило, это микросхемы УВХ, ИОН, буферных регистров сопряжения с цифровыми схемами. Различают преобразователи с непосредственным сопряжением через буферные устройства, объединяющие, как правило, буферный регистр кратковременной памяти с параллельным вводом-выводом цифро­вой информации и тремя логическими состояниями, а также уп­равляющую логику, работающую по программе от МП или микро-ЭВМ [1].

Микросхемы ЦАП способны работать с различными видами входных цифровых кодов: двоичным (прямым и обратным), допол­нительным (прямым и обратным), двоично-десятичным, Грея и другими кодами. Преобразователи могут быть одно- и многоканальными. Многоканальная работа, обеспечивается либо объединением в од­ной БИС нескольких идентичных ЦАП, работающих независимо друг от друга, либо использованием на выходе микросхемы ком­мутатора каналов. Существуют ЦАП с выходом по току или по напряжению, с дискретным или непрерывным выходным сигналом, униполярные или работающие в режиме биполярного тока. Наконец, умножающие ЦАП способны преобразовать изменяющийся сигнал от ИОН в выходной сигнал Uвых при заданном и постоянном входном коде.

 

к началу главы