Файл: 1. Основные параметры и характеристики логических элементов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 316
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Отсюда
. (7.14)
При проектировании преобразователя время бывает задано. Этот параметр определяет динамическую погрешность преобразователя, связанную с тем, что за время преобразования входное напряжение может измениться. Изменение за время должно быть меньше напряжения, соответствующее единице младшего разряда счетчика.
Крутизна напряжения ГЛИН .
Аппаратурные погрешности преобразователя связаны с неточностью работы отдельные его элементов: нелинейностью напряжения ГЛИН; отклонениями момента времени, в которые компаратором выдается импульс, от момента точного равенства входных напряжений компаратора; конечным временем срабатывания триггера, элемента И, нестабильностью частоты следования импульсов генератора.
73. АЦП с двойным интегрированием
Схема АЦП приведена на рис. 7.9, а.
Рис. 7.9. Структурная схема АЦП с двойным интегрированием
Рассмотрим работу преобразователя. В момент (рис. 7.9, б) подачей импульса в цепь «Пуск» осуществляется запуск схемы: сбрасывается в 0 счетчик Сч, первый ключ Кл1 устанавливается в замкнутое состояние, второй ключ Кл2 – в разомкнутое.
Предварительно разряженный конденсатор начинает заряжаться током от источника входного напряжения . Так как входное напряжение операционного усилителя (ОУ) близко к нулю, практически все напряжение падает на резисторе и ток в цепи резистора . Этот ток замыкается через конденсатор . Если за время длительности импульса ( ) значение напряжения считать неизменным, конденсатор будет заряжаться постоянным током и напряжение на нем будет изменяться по линейному закону, достигая к моменту значения
. (7.15)
В момент окончания импульса на входе «Пуск» (в момент ) счетчик начинает счет импульсов, поступающих в него из генератора импульсной последовательности (ГИ) через элемент И. В этот же момент ключ Кл1 устанавливается в разомкнутое состояние, ключ Кл2 – в замкнутое. В цепи конденсатора возникает ток обратного направления . Конденсатор разряжается постоянным током , и напряжение на нем снижается по линейному закону. В момент напряжение на конденсаторе и напряжение на выходе операционного усилителя проходят нулевое значение, на выходе компаратора К устанавливается уровень логического 0, прекращается прохождение импульсов ГИ через элемент И на вход счетчика Сч. Образующееся к этому моменту в Сч число есть значение , представленное в цифровой форме.
Определим значение . Время разряда конденсатора
. (7.16)
Подставляя выражение для , получаем
. (7.17)
Если период следования импульсов ГИ равен , то количество импульсов , поступающих в счетчик за время , определится выражением
. (7.18)
Как видим, пропорционально . Величина
(7.19)
определяет масштаб, в котором представляется значение .
74. АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования)
Данный тип АЦП реализует метод непосредственного считывания и является на сегодняшний день самым быстродействующим. Классический принцип его работы поясняется рис. 5.10. Устройство содержит компараторов , на объединенные инвертирующие входы которых подается входной преобразуемый сигнал. На неинвертирующие входы подаются напряжения, численно равные уровням квантования . В результате с выходов компараторов снимается параллельный -разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования по величине меньших значений .
Полученный единичный код подается на вход преобразователя кода (ПК), в котором он преобразуется в двоичный с числом разрядов . С выхода ПК двоичный код через логические переключатели на элементах 2И подается на вход статического регистра, с выхода которого он и считывается. Перезапись кода ПК в статический регистр происходит по сигналу «Запись». Этот сигнал подается в схему после того, как все переходные процессы, связанные со срабатыванием компараторов и получением двоичного кода, завершены.
Рис. 7.10. Структурная схема АЦП параллельного преобразования
Для получения напряжений, равных уровням квантования в схеме использован делитель напряжения на одинаковых резисторах, подключенных к выходу источника эталонного напряжения . Формирование в данном АЦП выходного кода одновременно по всем разрядам предполагает получение максимально возможного быстродействия. Его время преобразования определяется только структурой ПК и собственным быстродействием используемой элементной базы.
75. АЦП последовательного счета (развертывающего типа)
Принцип работы АЦП последовательного счета со счетчиком рассмотрим с использованием структурной схемы, показанной на рис. 5.11. Устройство содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ), выход которого подключен к первому входу элемента 2И DD1. Выход элемента 2И соединен со счетным входом счетчика DD2, поразрядные выходы которого соединены с входами ЦАП. Выход ЦАП подключен к инвертирующему входу безгистерезисного компаратора DA, к неинвертирующему входу которого подключается источник входного напряжения, преобразуемого в код. Выход компаратора соединен со вторым входом элемента 2И DD1.
Рис. 7.11. Структурная схема АЦП последовательного счета
Работает АЦП следующим образом. В исходном состоянии на вход установки в нуль счетчика DD2 подан активный логический сигнал. Счетчик сброшен. Его выходной код равен нулю. Равно нулю и выходное напряжение ЦАП. Поэтому, если , то на выходе компаратора присутствует сигнал логической 1 и тактовые импульсы с выхода ГТИ через элемент 2И DD1 поступают на вход C счетчика. Однако, так как сигнал на входе сброса R равен 0, выходной код счетчика также равен нулю.
Преобразование начинается в момент снятия со входа R активного логического сигнала (импульса «Пуск»). В этом случае с приходом каждого тактового импульса с выхода ГТИ счетчик выполняет операцию инкремента. Его выходной код начинает увеличиваться. Соответственно увеличивается и выходное напряжение ЦАП. Этот процесс продолжается до тех пор, пока выходное напряжение ЦАП не превысит величину . В этот момент компаратор DA сформирует на выходе сигнал логического 0. В результате на выходе элемента 2И DD1 также будет сформирован сигнал логического нуля и увеличение выходного кода счетчика прекратится. При этом значение выходного кода счетчика будет прямо пропорционально входному напряжению и обратно пропорционально абсолютной разрешающей способности используемого ЦАП
. (7.20)
Так как выходное напряжение ЦАП имеет форму ступенчатой функции, то напряжение , найденное из (7.11), должно быть округлено до ближайшего целого числа, соответствующего номеру первого уровня , превышающего значение . Для повторения цикла преобразования необходимо импульсом «Пуск» счетчик установить в нуль.
Очевидно, что время преобразования в рассмотренном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов ГТИ ( )
. (7.21)
Рассмотренный режим работы называется циклическим, так как каждый раз импульс «Пуск» сбрасывает счетчик DD2 и поэтому счет (преобразование) всегда начинается с нуля.
76. АЦП следящего типа
Если в АЦП использовать реверсивный счетчик, то можно реализовать нециклический режим работы, характеризующийся более высоким быстродействием. В этом случае на выходе счетчика постоянно присутствует код, пропорциональный текущему значению входного напряжения. Структурная схема АЦП, реализующего нециклический режим работы, показана на рис. 5.12.
Рис. 7.12. Структурная схема АЦП следящего типа
В отличие от АЦП, работающего в циклическом режиме, в схему дополнительно введены инвертор DD4 и еще один элемент 2И DD3.
Исходное состояние схемы аналогично состоянию циклического АЦП. Счетчик DD2 сброшен. Выходное напряжение ЦАП и на вход «+1» счетчика DD2 поступает последовательность выходных импульсов ГТИ. При снятии активного логического уровня с входа R счетчика его выходной код начинает увеличиваться. Увеличивается и выходное напряжение ЦАП. Этот процесс протекает до момента (рис. 5.13), в котором . Срабатывание компаратора DA приводит к тому, что на выходе элемента 2И DD1 формируется пассивный для входа «+1» счетчика DD2 сигнал. Одновременно инвертор DD4 формирует на нижнем входе элемента DD3 сигнал логической 1. В результате этого на вход «–1» счетчика DD2 начинают поступать импульсы ГТИ. При этом счетчик выполняет операцию декремента и его выходной код начинает уменьшаться. Уменьшается и напряжение WFG. В момент нарушения неравенства происходит очередное переключение компаратора DA и счетчик начинает увеличивать свой выходной код.
Рис. 7.13. Временная диаграмма входного напряжения компаратора АЦП следящего типа
Таким образом, с момента прихода импульса «Пуск» до момента АЦП последовательного счета и следящего типа работают одинаково. Однако после выходной код нециклического АЦП постоянно следит за изменением входного напряжения, что значительно снижает его время преобразования.
Общим недостатком рассмотренных схем является длительность интервала , в течение которого выходной код счетчика должен достичь значения, эквивалентного входному напряжению. Причем увеличение точности требует увеличения разрядности используемых счетчика и ЦАП и ведет к падению быстродействия рассмотренных устройств.
77. АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания)
Проиллюстрируем работу данного АЦП на примере упрощенной структурной схемы, показанной на рис. 7.14. Основой устройства является регистр последовательных приближений (РПП). Алгоритм его работы следующий. По каждому импульсу ГТИ РПП последовательно, начиная со старшего разряда, формирует на выходах Q сигнал логической 1, который в зависимости от сигнала, поступающего на его управляющий вход с выхода компаратора, либо остается неизменным, либо заменяется сигналом логического 0.
Рис. 7.14. Структурная схема АЦП последовательного приближения
Работу АЦП рассмотрим с использованием временных диаграмм, приведенных на рис. 7.15.
Рис. 7.15. Временные диаграммы работы АЦП последовательного приближения
В момент по сигналу «Пуск» в выходной статический регистр РПП, выполненный на RS-триггерах записывается код, содержащий единицу только в старшем разряде . Этот код при помощи ЦАП преобразуется в напряжение , которое на входе компаратора DA сравнивается с входным напряжением устройства. Если , то на выходе компаратора формируется единичный сигнал, если – то нулевой сигнал.
Одновременно сигналом «Пуск» в младший разряд сдвигового регистра DD1 РПП по фронту ГТИ также записывается сигнал логической единицы. Этот сигнал открывает логический переключатель на элементе 2И и выходной сигнал компаратора передается на вход R триггера . При этом, если , то триггер сбрасывается и на выходе РПП формируется нулевой код. В противном случае ( ) триггер остается установленным и на выходе РПП сохраняется код с единицей в старшем разряде.
Следующий фронт ГТИ сдвигает код, записанный в DD1 влево. В результате этого сигнал логической единицы перемещается в его первый разряд ( ), что устанавливает триггер . На выходе РПП формируется код, содержащий единицу в разряде , а на выходе ЦАП – новое значение напряжения, равное . Это напряжение также сравнивается с . Так как сигнал логической единицы присутствует только на выходе регистра DD1, то выходной сигнал компаратора DA может воздействовать на вход R только триггера . При этом, если , то сбрасывается, а если – триггер остается установленным.
Следующий импульс ГТИ сдвигает код, записанный в DD1 влево и процесс продолжается аналогично описанному до тех пор, пока сигнал логической единицы не достигнет старшего разряда регистра DD1. В этом случае по импульсу ГТИ регистр DD1 устанавливается в нуль и процесс преобразование завершается. Искомое значение выходного кода считывается с выхода РПП.
Из приведенного алгоритма следует, что число импульсов, необходимое для выполнения преобразования, равно разрядности выходного кода АЦП, т.е. время преобразования
(7.22)
Очевидно, что это время не зависит от входного напряжения и существенно меньше времени, необходимого для преобразования в АЦП последовательного счета.
Ввиду своей достаточной простоты и хорошего быстродействия данный тип АЦП находит широкое применение при разработке интегральных схем.