Аналога-цифровые преобразователи

     Содержание 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 

     Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи АЦП находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода – вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д. Велики перспективы использования быстродействующих преобразователей в телеметрии и телевидении. Несомненно, серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых АЦП еще более усилит тенденцию проникновения метода дискретно-непрерывного преобразования в сферу науки и техники. Одним из стимулов развития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей в интегральном исполнении в последнее время является широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. В свою очередь потребность в АЦП стимулирует их разработку и производство с новыми, более совершенными характеристиками. В настоящее время применяют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную и полупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИМС ЦАП и ИМС АЦП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью. В данной главе рассматриваются основные структуры, характеристики и методы контроля интегральных микросхем АЦП. 
 
 
 
 
 
 

     1 Общий раздел 
 

     1.1 Аналого-цифровые преобразователи 

          Аналого – цифровые преобразователи  (АЦП) являются устройствами, которые  принимают входные аналоговые  сигналы и генерируют соответствующие  им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

          Принципиально не исключена возможность  непосредственного преобразования  различных физических величин  в цифровую форму, однако эту  задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение код в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП. На рисунке 1.1 приведены виды АЦП. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

             
 
 

     Рисунок 1.1 – Виды АЦП 

      Процедура аналого – цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(tj)}, j=0,1,2, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(tj)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(tj)}.

      Дискретизация – это представление непрерывной  функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (по-буржуйски  дискрет означает отличный, различный). По-другому можно сказать, что  дискретизация – это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. На рисунке 2 изображен принцип дискретизации. 
 

                                       

     Рисунок 1.2 – Принцип дискретизации

 

     При квантовании (рисунок 1.3) шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования. 
 

                                          

     Рисунок 1.3 – Квантование 
 
 

     1.2 Классификация существующих устройств 

     Классификация АЦП делится на 3 типа:

     - АЦП последовательного приближения, заключается в возможности организации синхронной и циклической работы, производства уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде;

     - АЦП считывания, выполняет функцию параллельного преобразования входного напряжения в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) и с дополнением до двух (прямого или обратного);

     - Интегрирующие АЦП, предназначены для применения в измерительной аппаратуре различного назначения.

     Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения, точность – абсолютной погрешностью полной шкалы, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования т.е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе, устанавливающегося кода.

      По  структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развёртывающего типа. Развёртывающие АЦП переводят аналоговый сигнал в цифровой последовательный, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. К этому типу можно отнести АЦП последовательного приближения со счётчиком.

   К схемам АЦП без применения ЦАП  относятся АЦП двойного интегрирования и параллельного действия. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того, для построения схемы АЦП не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами.   

     1.3 Разработка структурной схемы

            

     В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки, предусматривающие интегральное исполнение.

     Исходя  из этого, предлагается схема аналого-цифрового  преобразователя, обладающая в интегральном исполнении (т.е. выполненная в одном  кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов в интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены.

     Схема АЦП с буферной памятью состоит из следующих блоков: генератор тактовых импульсов, счётчик формирователь адресов, буферную память составляет динамическое ОЗУ, мультиплексор, регистр последовательного приближения, буферный регистр, компаратор, ЦАП и три логических элемента.

     Генератор и счётчик формируют адресные коды в стартстопном или непрерывном  режиме. Тактовая частота, с которой  производится дискретизация входного аналогового сигнала Ux, зависит от динамических параметров элементов  АЦП, главным образом от времени установления ЦАП. С выхода микросхемы памяти мы снимаем восьмиразрядный цифровой код. Время одного измерения равно длительности установления на выходе буферного регистра цифрового кода, отображающего значения амплитуды выборки входного сигнала Ux.

     Структурная схема приведена на рисунке 1.4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.4 Выбор элементной базы 

     

 

     Рисунок 1.5 – Микросхема К155 АГ3 

     Микросхема  К155 АГ3. Генератор тактовых импульсов -вырабатывает импульсы для их последующего преобразования в цифровой код.

     

 

     Рисунок 1.6 – Микросхема К155ИЕ2 

     Микросхема  К155ИЕ2. Микросхема представляет собой двоично – десятичный четырёхразрядный счётчик. Каждая ИС состоит из четырёх триггеров, внутренне соединённых для деления на 2 и на 5. Может так же использоваться в качестве делителя на 10.  

     

     Рисунок 1.7 – Микросхема КР537 РУ8

 

     Микросхема  представляет собой статическое  запоминающее устройство  на основе КМОП-структур.

     Выбранные четыре бита информации параллельно  проходят через разрядную схему, и после усиления и формирования в выходном блоке появляются на обедненных входах – выходах. Все блоки работают одновременно и управляются сигналами выбора микросхемы CS, записи – считывания WR/RD либо их комбинацией, вырабатываемой в блоке управления.

     Назначение  выходов и режимы работы представлены в таблице 1. 

     Таблица 1.1 – Таблица истинности

 
 
 
 
 
 
 

     Микросхема  имеет организацию 2К*8 бит (буквой К  обозначают число равное 2¹⁰=1024) и, следовательно, допускает запись или считывание информации восьмиразрядными словами (байтами).