АЦП со счетчиком номеров уровней сигнала
АЦП со счетчиком номеров уровней сигнала – АЦП, в котором преобразуемая величина (напряжение) сравнивается с непрерывно возрастающим ступенчатым эталонным напряжением.
АЦП со счетчиком номеров уровней сигнала в литературе называются также последовательными АЦП с единичным приближением.
Типичная схема такого АЦП (АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением) дана на рис. 3.6, а.
Рис. 3.6. Схема последовательного АЦП с единичным приближением (а) и временная диаграмма ее работы (б)
Импульс начала цикла преобразования, который в дальнейшем будем называть импульсом запуска, подключает счетчик Сч к выходу генератора импульсов ГИ. Так как разряды счетчика соединены с разрядами ЦАП, то напряжение на выходе последнего uцап увеличивается по ступенчатому пилообразному закону (рис. 3.6, б), причем значение ступени соответствует единице младшего разряда (ЕМР) АЦП. Процесс преобразования заканчивается, когда напряжение uцап сравняется с входным напряжением uвх. При этом компаратор K прекращает поступление счетных импульсов на счетчик и осуществляет считывание с него выходного кода N, представляющего цифровой эквивалент входного напряжения в момент окончания преобразования.
Статическая погрешность преобразования определяется, в основном, суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Быстродействие рассматриваемого АЦП, характеризуемое временем преобразования, определяется числом разрядов n и частотой счетных импульсов fсч. Время преобразования АЦП данного типа является переменным и определяется уровнем входного напряжения. Максимальное время преобразования, соответствующее максимальному входному напряжению,
(3.11)
где Dtсч = 1/fсч – период следования счетных импульсов.
Так как число разрядов АЦП задается, время преобразования определяется частотой (периодом) счетных импульсов. Минимальный период импульсов Dtсч.min необходимо выбирать из условия установления за это время всех переходных процессов с заданной погрешностью. Для схемы рис. 3.6
Dtсч.min = tсч + tцап + tтг + tк + tл,
где tсч – максимальное время установления (для самого неблагоприятного случая) переходного процесса в счетчике; tцап – время установления ЦАП; tтг – время включения управляющего триггера; tк, tл – времена включения компаратора и логической схемы И.
При работе без УВХ динамическая погрешность, как уже отмечалось ранее, определяется временем преобразования АЦП, которое в данном случае играет роль апертурного времени. Учитывая невысокое быстродействие, АЦП данного типа без УВХ пригодны для работы только с медленно меняющимися сигналами, которые за цикл преобразования изменяются не более чем на значение шага квантования. Поясним это на примере.
Совместная работа АЦП рассматриваемого типа с УВХ, построенным по распространенной схеме, использующей сочетание накопительного конденсатора С, аналогового ключа Кл и операционного усилителя ОУ, показана на рис. 3.7, а.
Рис. 3.7. Схема (а) и временная диаграмма (б) совместной работы УВХ и АЦП:
1 – тактовые импульсы (импульсы запуска); 2 – сигнал окончания преобразования; 3 – управляющий сигнал
По сигналу с генератора тактовых импульсов АЦП осуществляет преобразование сигнала uвх(ti), который представляет собой выходной сигнал УВХ (в режиме хранения). По окончании цикла преобразования формируется управляющий сигнал, который, воздействуя на ключ Кл, переводит УВХ в режим выборки (слежения). На временной диаграмме (рис. 3.7, б) А,В,С обозначают время преобразования АЦП.
Рассмотренный АЦП легко превратить в АЦП следящего типа.
АЦП следящего типа – цифро-аналоговая следящая система, в которой при получении кода аналоговой величины учитывается результат предыдущего преобразования.
Для этого в схеме рис. 3.6, а необходимо заменить суммирующий счетчик на реверсивный и использовать прямой и инверсный выходы компаратора для управления им. В этом случае при uвх = uцап выходной код АЦП колеблется вокруг среднего положения с точностью до ЕМР, как это имеет место в любой дискретной следящей системе. Если в состоянии динамического равновесия uвх(t) начинает изменяться, то выходной код АЦП отслеживает его с погрешностью, равной ЕМР, при условии, что за период счетных импульсов Dtсч входной сигнал изменится не более чем на значение шага квантования Du, т.е.
.