Аналого-цифровые преобразователи

Назначение АЦП — преобра­зование аналогового напряжения в его цифровой эквивалент. Как правило, АЦП имеют более сложную схему, чем ЦАП, причем ЦАП часто является узлом АЦП. Обобщенная структурная схема АЦП с ЦАП в цепи обратной связи имеет вид в соответствии с рисунком 4.6.

Выполненные по такой схеме АЦП находят широкое примене­ние благодаря хорошим показателям по точности, быстродейст­вию при сравнительной простоте и низкой стоимости.

В состав АЦП входят n -разрядный триггерный регистр результатов преобразования DD₁ — DD_n, управляющий разрядами ЦАП; компаратор, связанный с устройством управления УУ и содержащий генератор тактовой частоты. Реализуя в УУ различ­ные алгоритмы работы АЦП, получают различные характеристи­ки преобразователя.

Рисунок 4.6 – Обобщенная структурная схема ЦАП

Используя рисунок 4.6 рассмотрим принцип действия АЦП, предполагая, что в качестве триггерного регистра используется реверсивный счетчик. Реверсивный счетчик имеет цифровой выход, напряжение на котором возрастает от каждого тактового импуль­са, когда на входе счетчика «Прямой счет» высокий уровень напряжения, а на входе «Обратный счет» — низкий. И наоборот, напряжение на цифровом выходе при каждом тактовом импульсе уменьшается, когда на входе «Прямой счет» низкий, а на входе «Обратный счет» — высокий уровень напряжения.

Важнейшим узлом АЦП является компаратор, имеющий два аналоговых входа U _ЦАП и U _АН и цифровой выход, подключен­ный через УУ к реверсивному счетчику. Если напряжение на выходе компаратора имеет высокий уровень, уровень на входе счетчика «Прямой счет» также будет высоким. И наоборот, когда выходное напряжение компаратора имеет низкий уровень, низким будет также и уровень на входе «Прямой счет».

Таким образом, в зависимости от того, высокий или низкий уровень на выходе компаратора, реверсивный счетчик считает соответственно в прямом или обратном направлении. В первом случае на входе U _ЦАП компаратора наблюдается ступенчато-нарастающее напряжение, а во втором — ступенчато-спадающее.

Поскольку компаратор работает без обратной связи, уровень его выходного напряжения делается высоким, когда напряжение на его входе U _АН станет немного отрицательнее, чем на входе U _ЦАП. И наоборот, уровень его выходного напряжения становится низким, как только напряжение на входе U _АН станет немного положительнее напряжения на входе U _ЦАП.

На вход U _ЦАП компаратора поступает выходное напряжение ЦАП, которое сравнивается с аналоговым входным напряжением, поступающим на вход U _АН.

Если аналоговое напряжение U _АН превышает напряжение, снимаемое с выхода ЦАП, реверсивный счетчик считает в прямом направлении, ступенями наращивая напряжение на входе U _ЦАП до значения напряжения на входе U _АН. Если же U _АН< U _ЦАП или становится таковым в процессе счета, напряжение на выходе компаратора имеет низкий уровень и счетчик считает в обратном направлении, вновь приводя U _ЦАП к U _АН. Таким образом, система имеет обратную связь, которая поддерживает выходное напряжение ЦАП приблизительно равным напряжению U _АН. Следователь­но, выход реверсивного счетчика всегда представляет собой цифровой эквивалент аналогового входного напряжения. С выхода реверсивного счетчика считывается цифровой эквивалент аналого­вого входного сигнала АЦП.