Тема 7_6 Аналого-цифровые преобразователи

7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют сигнал
из аналоговой формы в цифровую.
Эта задача сводится к измерению напряжения на входе. Ответ
должен быть дан в цифровой форме на выходе.
Рассмотрим аналогию – необходимо взвесить предмет на
чашечных весах.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
Поместим предмет на одну чашку. На другую чашку будем бросать
одну за другой мелкие гири, масса которых равна допустимой
погрешности. Одновременно будем считать эти гири.
В момент, когда чашки весов переместятся, прекратим бросать
гири. Количество гирек на правой чашке будет равно массе тела.
По такой схеме работает АЦП с единичным последовательным
приближением.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
y1 y2…yn
G
&
#
Cч
запуск
S
R
K
Uвх.
Рис.7.6.1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Импульсы с генератора не могут пройти через схему «И», т.к. на
ее нижнем входе - 0.
Работа АЦП начинается с подачи «1» на вход запуска. Триггер
срабатывает по S-входу, на его выходе -1.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
0001
00
10
10
1
y1 y2…yn
G
&
#
Cч
запуск
S
R
K
Uвх.
Эта «1» открывает схему «И» Теперь импульсы с генератора
проходят на счетчик.
Счетчик считает эти импульсы. На его выходе появляется число,
равное порядковому номеру импульса. Это число возрастает с
каждым следующим импульсом.
ЦАП переводит это число в напряжение. Оно также растет с
каждым следующим импульсом.
Компаратор сравнивает его со входным напряжением. Когда
Uцап > Uвход , на выходе компаратора появляется «1».
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
0001000
y1 y2…yn
G
&
#
Cч
запуск
S
R
K
Uвх.
Эта «1» поступает на R-вход триггера. Триггер перебрасывается,
на его выходе – «0». Он идет на схему «И» и закрывает её.
Теперь импульсы не проходят через схему «И» Счетчик прекращает
работу. На его выходе – число, равное входному напряжению с
допустимой погрешностью.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
y1 y2…yn
G
#
Cч
&
запуск
S
R
K
Uвх.
Обозначение АЦП на схемах – см. рис. 7.6.2.
#
Рис. 7.6.2. Обозначение АЦП.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
y1 y2…yn
G
&
#
Cч
запуск
S
R
K
Uвх.
Если подать на вход Uвход постоянное напряжение, то для работы
схемы потребуется строго определенное время, определяемое
частотой генератора. Тогда схема работает, как таймер.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
Недостаток АЦП с единичным последовательным приближением –
долгое время работы.
Есть другие схемы АЦП, которые работают за несколько тактов,
даже за 1 такт. Но они гораздо сложнее, а значит – дороже.
Можно уменьшить время работы АЦП путем увеличения частоты
тактовых импульсов.
Однако, существует предел увеличения частоты. Он связан с
искажением импульсов паразитными емкостями и
индуктивностями схемы.
Обедненная зона
p-проводник
Каждый транзистор можно
рассматривать, как
конденсатор (рис.7.6.3).
n-проводник
p-проводник
Рис. 7.6.3. Транзистор, как конденсатор.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
При подаче прямоугольного импульса конденсатор заряжается.
Импульс искажается (рис. 7.5.4).
а)
б)
в)
Рис. 7.6.4. Искажение прямоугольного импульса
а) длительного, б) короткого, в) очень короткого.
Короткие единичные импульсы (высокой частоты) могут быть
восприняты схемой как нулевые.
7.6. Аналого-цифровые преобразователи.
Искажения будут тем меньше, чем меньше паразитная емкость.
Емкость связана с размерами элементов.
Поэтому малогабаритные устройства могут работать быстрее.
В настоящее время размеры транзистора могут быть снижены до
размеров нескольких атомов. Устройства с такими транзисторами
могут работать с частотой импульсов более 1012 Гц.