9.3. ЭЛЕМЕНТЫ АЦП

В АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части. Цифровая часть выполняет кодирование и декодирование, запоминание, сравнение, сдвиг, счет и сложение цифровой информации, прием и обработку команд на преобразование и вырабатывает сигналы управления. В последнее время для выполнения перечисленных выше операций широко используют микропроцессоры. В аналоговой части осуществляются операции сравнения, усиления, выборки и хранения, коммутации аналогового сигнала, а также операции по его сложению и вычитанию, делению и перемножению, интегрированию и дифференцированию.

К элементам, выполняющим функции в цифровой части, относят логические схемы, триггеры, регистры, счетчики, запоминающие устройства, микропроцессоры. При этом цифровую часть АЦП выполняют на основе серийно выпускаемых отечественной промышленностью цифровых ИС. Характеристики серий ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП и приведены в табл. 4.5.

К элементам, выполняющим функции аналоговой части, относят операционные усилители, компараторы, источники опорных напряжений, аналоговые ключи и коммутаторы ЦАП [6; 79].

Операционные усилители (ОУ) представляют собой усилители постоянного тока с дифференциальными входами. Их используют для дифференцирования, интегрирования, масштабирования, фильтрации, а также для сравнения и запоминания сигналов. Особенности работы ОУ рассмотрены в работе [82].

Основные параметры ОУ в статическом и динамическом режимах.

Коэффициент усшения напряжения — отношение выходного напряжения ОУ к входному напряжению.

Напряжение смегцения — напряжение постоянного тока, при котором выходное напряжение равно нулю.

Максимальное входное напряжение — наибольшее входное напряжение ОУ между входными выводами ОУ, при котором напряжение соответствует заданному.

Максимальное выходное напряжение — наибольшее выходное напряжение между выводами выхода и корпуса ОУ, при котором обеспечиваются заданные параметры ОУ.

Максимальный выходной ток — наибольший выходной ток, при котором обеспечиваются заданные параметры

Частота единичного усиления частота, на которой коэффициент усиления ОУ равен единице.

Скорость нарастания выходного напряжения — скорость изменения выходного напряжения ОУ при воздействии импульса максимального входного наприжения прямоугольной формы.

Таблица

(см. оригинал)

Таблица 9.2

(см. оригинал)

Время установления выходного напряжения — интервал времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется с первого достижения уровня 0,1 до последнего достижения уровня 0,9 установившегося значения.

Входной ток ток, втекающий (или вытекающий) в любой из входных выводоп при входном напряжении, равном , и выходном напряжении, равном нулю.

Дифференциальное входное сопротивление — отношение изменения дифференциального входного напряжения к результирующему изменению входного тока при сохранении линейности выходного напряжения.

В АЦП в зависимости от требуемой точности и скорости преобразования и мощности потребления используют ОУ: средней точности ; прецизионные , быстродействующие ; и микромощные (с мощностью потребления не более .

Электрические параметры ОУ приведены в табл. 9.2 .

Компараторы являются специализированными ОУ с дифференциальным входом и с одним или парафазным цифровым выходом. Входнои каскад компаратора построен аналогично ОУ и работает в линейном режиме. На выходе компаратора формируется сигнал логическая «1», если входной сигнал превышает пороговое напряжение, если же входной сигнал меньше порогового напряжения — логический «0». В АЦП компаратор используется как пороговое устройство для квантования сигнала.

Основные параметры компаратора.

Чувствительность (разрешающая способность) — минимальная разность аналоговых сигналов, которую может обнаружить компаратор и зафиксировать на выходе как цифровой сигнал, соответствующий переходу из одного логического состояния в другое.

Рис. 9.9.

При этом разрешающая способность компаратора является функцией его быстродействия, определяемого таким параметром, как время переключения, которое обычно оценивают при подаче на вход компаратора скачка напряжения с заданным перевозбуждением, т. е. превышением входного сигнала над пороговым напряжением (рис. 9 9).

Время задержки переключения — время с момента подачи входного сигнала до момента, когда выходной сигнал превысит пороговый уровень напряжения, соответствующий логическим или «0» в зависимости от того, в каком начальном состоянии находится компаратор

Выходные уровни напряжения или напряжения, соответствующие логическим «0» или «1» на выходе компаратора.

Напряжение смещения характеризует погрешность начального смещения, обусловленную отклонением порогового уровня по отношению к истинному значению входного сигнала. Электрические параметры компараторов приведены в табл.

Источники опорных напряжений (ИОН) используют в АЦП для задания пороговых напряжений на компараторы, питания резистивных делителей, компенсации преобразуемого аналогового сигнала и т. д. В качестве ИОН применяют параметрические стабилизаторы напряжения с кремниевыми стабилитронами (табл. 9.4), у которых температурный коэффициент положительный и составляет порядка .

Таблица 9.3

Чтобы компенсировать эту нестабильность, последовательно со стабилитроном включают прямосмещенный -переход с отрицательным температурным коэффициентом порядка (рис. 9.10, а), где . В схеме на рис. 9.10, б используют ОУ в качестве повторителя, предохраняя термокомпенсированный стабилитрон от перегрузок, которые ухудшают его стабильность. Основой ИОН являются интегральные стабилизаторы напряжения компенсационного типа [35], имеющие схему защиты от выхода из строя при коротком замыкании нагрузки [6]

Таблица 9.4

Основные параметры стабилизаторов напряжения: максимальное (минимальное) входное напряжение — номинальное выходное напряжение — ток нагрузки — мощность рассеяния — , коэффициент нестабильности по напряжению — отношение относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его относительному изменению входного напряжения коэффициент нестабильности по току — отношение относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки .

Рис. 9.10.

Основные электрические параметры интегральных стабилизаторов напряжения серни приведены в табл. 9.5.

Аналоговые ключи и коммутаторы предназначены для коммутации аналоговых сигналов (тока или напряжения) от источников на нагрузку с малыми искажениями. Для коммутации напряжения можно использовать либо однополюсный последовательный (рис. ) ключ (прерыватель), либо переключатель (рис. ) на два положения (нагрузка подключается к источнику напряжения или к общей точке схемы) При коммутации тока необходим переключатель на два положения (ток от источника никогда не должен прерываться, а лишь переключаться в различные ветви цепи). Поэтому в цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, а для коммутации тока — наоборот.

Таблица и рисунок

(см. оригинал)

Таблица 9.5

Основные параметры аналоговых ключей: остаточное напряжение на замкнутом ключе, остаточный ток разомкнутого ключа и время переключения.

Рис. 9.11.

Рис. 9.12.

Схема аналогового ключа на КМОП-транзисторах показана на рис. 9.11,в. Собственно ключ собран на транзисторах , а управляется ключ инвертором на транзисторах .

Таблица 9.6

При управляющем напряжении транзистор закрыт, открыт и ключ разомкнут закрыты). При транзистор закрыт, открыт, при этом на затвор транзистора подается отрицательное напряжение через открытый транзистор , а на — положительное напряжение управляющего сигнала , и аналоговый ключ замкнут.

Для замкнутого состояния ключа диапазон входного напряжения .

При напряжение , а напряжение транзисторы VT1 и открыты и прямое сопротивление ключа внутреннее сопротивление открытого транзистора). Когда , транзистор закрыт, так как а транзистор VT1 открыт под действием напряжения . При транзистор закрыт, а транзистор открыт, так как . Таким образом, при прямое сопротивление меняется в небольших пределах а коэффициент передачи ключа , тогда при . В интегральном исполнении один корпус ИС содержит один или несколько электрически развязанных аналоговых ключа.

Аналоговый коммутатор (мультиплексор) представляет собой устройство со многим входами для аналоговых сигналов и одним выходом, на коюрын можно подать последовательно во времени любой из входных сигналов (рис. ). Аналоговый коммутатор состоит из набора аналоговых ключей А К, подсоединенных к общей выходной шине, и схемы управления. В состав схемы управления входят дешифратор и формирователь сигналов управления ключами. На вход схемы управления подаются цифровые сигналы в виде параллельного кода (код номера канала).

Таблица 9.7

Согласование выходной шипы с нагрузкой осуществляется с помощью буферного каскада на ОУ, работающего в режиме повторителя напряження, который обеспечивает высокое входное в точке соединения выходов ключей и низкое выходное сопротивление коммутатора.

Основные параметры аналоговых ключей и коммутаторов.

Коммутируемое напряжение — максимальное напряжение, подаваемое на аналоговые входы ключа или коммутатора.

У правляющее напряохение — напряжение на управляющем входе ключа или коммутатора, при котором обеспечиваются заданные уровни выходного напряжения.

Коммутируемый ток — ток в цепи аналогового входа в замкнутом состоянии переключателя.

Время переключения — наибольшее время включения или выключения, которое определяется между фронтами управляющего и выходного напряжения на заданных уровнях.

Прямое сопротивление R — сопротивление ключа или коммутатора в замкнутом состоянии переключателя при заданном коммутируемом напряжении. Основные параметры аналоговых ключей и коммутаторов приведены в табл. 9.6 и 9.7.