Структурная схема последовательно-параллельного АЦП приведена на рис.14.7. Такой АЦП работает в несколько тактов. В первом такте АЦП преобразует старшие разряды входного напряжения uвх в цифровой код (на схеме это разряды 23 …25). Затем во втором такте эти разряды преобразуются с помощью ЦАП в напряжение, которое вычитается из входного сигнала в вычитающем устройстве ВУ. В третьем такте АЦП2 преобразует полученную разность в код младших разрядов входного напряжения ивх.
Такие преобразователи характеризуется меньшим быстродействием по сравнению с параллельными, но имеют меньшее число компараторов. Так, например, для 6-ти разрядного параллельного АЦП необходимо 64 компаратора, а для последовательно-параллельного АЦП - всего 16.
Рис.14.7. Структурная схема параллельно-после-
довательного АЦП
Количество каскадов в таких АЦП может быть увеличено, поэтому они часто называются многокаскадными или конвейерными. Выходной код таких АЦП представляет собой сумму кодов N = N1 + N2 + Nз +..., вырабатываемых отдельными каскадами.
К АЦП мгновенных значений также относятся некоторые типы АЦП с время-импульсным преобразованием. Структурная схема такого АЦП приведена на рис.14.8. В основу работы этого преобразователя положен метод преобразования входного напряжения во временной интервал. Графики процесса преобразования приведены на рис.14.8, б. АЦП состоит из генератора линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН, двух компараторов К1 и К2, формирователя длительности импульса τи, генератора тактовых импульсов и счетчика, с выхода которого снимается код преобразованного напряжения. 
Рис.14.8. Структурная схема время-импульсного преобразования (а)
и графики процесса преобразования (б)
Первый импульс u2 формируется при сравнении напряжения uвх с напряжением u1, а второй импульс uз формируется при достижении напряжением u1 нулевого уровня. Быстродействие таких АЦП невелико: время преобразования в лучшем случае составляет 20... 50 мкс.
Уравнение, описывающее работу АЦП, можно определить следующим образом. Напряжение u1, вырабатываемое ГЛИН, имеет вид:
, (14.5)
где k - крутизна пилообразного напряжения.
Моменты времени t1 и t2 срабатывания компараторов К1 и К2 определяются по формуле (14.5): 
; 
.
Длительность импульса определим как разность τи=t3-t2=uвх/k.Количество импульсов, подсчитанных счетчиком, равно N=f0 τи, где f0 - частота тактового генератора.
АЦП средних значений напряжений (интегрирующие АЦП) можно разделить на следующие основные виды: с время-импульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и со статистическим усреднением. Наибольшее распространение получили первые две группы АЦП.
Структурная схема интегрирующего АЦП с время-импульсным преобразованием приведена на рис.14.9, а. Работу этой схемы можно разделить на три такта. В первом такте производится заряд интегратора, во втором - его разряд, а в третьем коррекция нулевого уровня интегратора. Графики, иллюстрирующие работу АЦП, приведены на рис.14.9, б.
В первом такте, имеющем фиксированную длительность То, замкнут ключ Sl, а остальные ключи разомкнуты. В этом случае входное напряжение uвх через замкнутый ключ Sl и сопротивление R1 заряжает емкость С1 интегратора, и выходное напряжение растет линейно во времени, как показано на рис.14.9, б. К. концу интервала То напряжение на выходе интегратора будет равно
, (14.6)
Рис.14.9. Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования (а) и
график процесса преобразования (б)
где k =R1C1-1 - постоянная времени интегратора, Uвх - среднее значение входного напряжения:
.
Во втором такте происходит разряд интегратора. При этом в зависимости от требуемой полярности источника опорного напряжения, которая всегда противоположна полярности uвх, замыкается один из ключей S2 или S3. Разряд интегратора происходит с постоянной скоростью, которая не зависит от накопленного в интеграторе заряда, поэтому с увеличением накопленного заряда время разряда также увеличивается. Конец разряда интегратора фиксируется компаратором K, после чего ключ S2 (или S3) размыкается.
Поскольку начало разряда определяет схема управления, а конец - компаратор, то длительность разряда интегратора можно определить по формуле:
,
откуда
или 
, (14.7)
что свидетельствует о пропорциональности интервала Тх среднему значению входного напряжения Uвх. Заполнение интервала Тх счетными импульсами, поступающими от схемы управления, позволяет найти числовой код N = Txf0.
К достоинствам интегрирующих АЦП следует отнести их высокую помехозащищенность. Если на входной сигнал наложена гармоническая помеха, то при равенстве периода помехи времени заряда интегратора Tп=Т0 среднее значение помехи к концу интервала интегрирования будет равно нулю, как показано пунктирной линией на рис.14.9, б. Случайные помехи и шумы также ослабляются интегрированием, хотя и в меньшей степени.
На третьем этапе производится коррекция нулевого уровня интегратора. Для этого замыкаются ключи S4 и S5, а остальные ключи размыкаются. Так как вход интегратора через сопротивление R1 соединен с общей шиной, то конденсатор С2 через замкнутый ключ S5 заряжается до напряжения ошибки, которое после размыкания ключей S4 и S5 вычитается из входного сигнала.
К недостаткам таких интегрирующих АЦП относится, прежде всего, сравнительно невысокое быстродействие. Кроме этого, при перегрузке АЦП большим входным сигналом происходит перезаряд интегрирующего конденсатора C1, поэтому после снятия перегрузки в течение нескольких циклов АЦП будет работать с большой погрешностью..
Другим типом интегрирующих АЦП являются АЦП с частотно-u.мпульсным преобразованием, принцип работы которых основан на предварительном преобразовании входного напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, которая затем измеряется за фиксированный интервал времени. После подсчета числа импульсов результат выдается в виде цифрового эквивалента входного напряжения.
Структурная схема АЦП с частотно-импульсным преобразованием приведена на рис.14.10, а. Основным звеном в этой схеме является преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ). При помощи ПНЧ
Рис.14.10. Структурная схема АЦП с частотно-импульсным
преобразованием (а) и графики процесса преобразования (б)
входное напряжение преобразуется в частоту импульсов, при этом f=kивх. Число импульсов, подсчитанных счетчиком за выбранный интервал времени Ти, определяется формулой
,
где 
- среднее значение напряжения на интервале Tи .
Графики процесса преобразования АЦПс частотно-импульсным преобразованием приведены на рис.14.10, б. Преобразователь напряжения в частоту может быть построен на различных принципах, однако от его характеристики преобразования зависят свойства АЦП. Погрешность ПНЧпрактически полностью входит в погрешность АЦП. В связи с этим наиболее часто в качестве ПНЧв таких АЦПиспользуется преобразователь с импульсной обратной связью, схема которого приведена на рис.14.11, а. Графики работы АЦПприведены на рис.14.11, б.
Рис.14.11. Структурная схема преобразователя напряжения в частоту с
импульсной обратной связью (а) и графики его работы (б)
ПНЧс импульсной обратной связью состоит из входного повторителя напряжения, интегратора и компаратора, управляющего генератором импульсов в цепи обратной связи интегратора. Заряд кон-
денсатора С1 интегратора· осуществляется входным напряжением uвх, а разряд производится импульсом с постоянной вольт-секундной площадью. Если входное напряжение имеет отрицательную полярность, то импульсы генератора должны быть положительными и наоборот. Можно показать, что частота импульсов прямо пропорциональна входному напряжению. Напряжение на выходе интегратора линейно растет до тех пор, пока не сравняется с опорным напряжением Uоп на неинвертирующем входе компаратора К:
,
откуда 
,
где i = Uвх/R1, а q= C1 Uоп - накопленный заряд.
В последнее время в связи широким применением АЦПв различных системах сбора и обработки информации появились новые типы преобразователей с улучшенными характеристиками. К их числу относятся: АЦПс сигма-дельта модулятором, АЦПбыстрого интегрирования и конвейерные АЦП.
Структурная схема АЦП с сигма-дельmа модулятором приведена на рис.14.12. По сути, это название отражает два процесса: интегрирование за малое время и сложение результатов интегрирования. Выходным сигналом такого модулятора является частота импульсов. Схема такого АЦП во многом совпадает с АЦП с частотно- импульс-ной обратной связью. В этом АЦП также производится компенсация
Рис.14.12. Структурная схема АЦП с сигма-дельта
модулятором
заряда, накопленного в интеграторе, а вместо импульсного генератора используется одноразрядный ЦАП с компаратором на входе.
Структурная схема АЦП быстрого интегрирования представляет собой интегрирующий АЦП с время-импульсным преобразованием, в котором разряд интегратора выполняется ускоренным образом: вначале до некоторого значения Е выходного напряжения от большого напряжения разряда, а затем от малого. Такой процесс разряда похож на работу скоростного лифта. Между этажами он движется быстро, а при подходе к остановке резко замедляет скорость. В таких АЦП сокращается время разряда интегратора и увеличивается точность компарирования в конце разряда.
В конвейерном АЦП мы имеем собой структуру, подобную параллельно-последовательному АЦП, но с увеличенным числом каскадов. Для хранения мгновенных значений напряжения в каждом каскаде используются устройства выборки и хранения информации УВХ1... УВХЗ (например, для четырёхкаскадного АЦП). Вычитающие устройства ВУ1... ВУЗ образуют разность напряжений, подлежащую преобразованию в следующем каскаде. Все АЦП 1... АЦП4 параллельные и имеют небольшое число разрядов (обычно не больше четырех).
Интегральные микросхемы АЦП. В последнее время многие фирмы организовали производство серийных интегральных микросхем АЦП, основанных на различных принципах и предназначенных для работы в устройствах сопряжения датчиков аналоговых сигналов с ЭВМ и микропроцессорами, в различных измерительных устройствах, мультиметрах, в медицинской аппаратуре, цифровых термометрах и др. Наиболее крупными производителями АЦП в России являются заводы «Микрон» и «Сапфир», а за рубежом - компании Analog Devices (США), Micro power (США), Philips, Maxim, Sony и др.
Перечисленными фирмами и многими другими выпускается так много различных микросхем АЦП, что трудно даже произвести их сравнение, тем более что многие фирмы используют собственную классификацию и приводят ряд нестандартных характеристик. Тем не менее, некоторые выводы из рассмотрения выпускаемых АЦП можно сделать.
Прежде всего, можно отметить, что резко увеличилась разрешающая способность АЦП. Ряд фирм выпускает АЦП с разрешением до 24 двоичных разрядов (Т. е. 1/16777216). Однако наиболее распространенными являются АЦП с разрядностью 8, 10, 12 и 16 разрядов.
Повысилось быстродействие серийных микросхем АЦП. Налажено производство АЦП с максимальной частотой преобразования 20... 50 МГц. Такие АЦП используются при преобразовании видеосигналов в цифровую форму в цифровых телевизорах, видеомагнитофонах, видеомониторах и других устройствах. Одновременно велось снижение потребляемой мощности. Так, например, 10-разрядный АЦП АО876 фирмы Analog Devices при максимальной частоте преобразования 20 МГц имеет потребляемую мощность всего 160 мВт и стоит около 10 долларов. Такой же по быстродействию параллельный АЦП К1107ПВ2 при 8-ми разрядах потребляет около 3 Вт.
В таблицах 14.1 и 14.2 приведены основные характеристики некоторых типов АЦП мгновенных значений и интегрирующих АЦП.
Таблица 14.1
Основные характеристики АЦП мгновенных значений
| Тип микро- схемы | Принцип действия | Число двоич. разряд. | Интегр. нелин., МЗР | Дифф. нелин., МЗР | Тпр, мкс | Fм, МГц | ||
| AD7570 AD677 AD775 AD876 | Последовательного приближения с побайтным вводом/выводом Последовательного приближения с перераспределением зарядов Двуступенчатый конвейерный Многоступенчатый конвейерный | ±2,00 ±1,00 ±0,5 ±0,3 | ±4,00 ±0.5 ±0,3 ±0,5 | 18×10-3 10-2 | 0,1 | |||
| Ad7710 1107ПВ3 | С сигма-дельта модулятором и уравновешиванием зарядов Параллельного действия, быстродействующий | 0,0045 ±0,25 | ±0,25 | 2×10-2 | 0,156 | |||
Таблица 14.2
Основные характеристики интегрирующих АЦП
| Тип микросхемы | Особенности функционирования | Число десятичных разрядов | Погрешность преобразования, МЗР |
| ICL7107 ILC7135 ILC7117 | Двухактное интегрирование с автокомпенсацией нуля Двухтактное интегрирование с коррекцией нуля интегратора Двухтактное интегрирование с режимом хранения данных | 3,5 4,5 3,5 | ±1 ±2 ±1 |
Контрольные вопросы
1. Виды аналого-цифровых преобразователей и их особенности? Дискретизация, квантование и кодирование - этапы АЦП-преобразования? Теорема Котельникова как основа этого преобразования? Апертурная погрешность?
2. Основные характеристики АЦП и принципы их построения?
3. АЦП последовательного счёта – схемная реализация, работа, временные диаграммы?
4. АЦП последовательного приближения - схемная реализация, работа, временные диаграммы?
5. Структурные схемы параллельного и параллельно-последовательного АЦП – их работа, метрологические характеристики?
6. Интегрирующие АЦП: двухтактные и с частотно-импульсным преобразованием – схемные построения, работа, временные диаграммы, метрологические характеристики?
7. Структурные схемы и работа АЦП с сигма-дельта модулятором, АЦП быстрого интегрирования, конвейерные АЦП?
Лекция15. Устройства выборки и хранения
Назначение и типы устройств выборки и хранения аналоговых сигналов. Как отмечалось в лекции 14, при обработке аналоговых сигналов с частотой, соизмеримой или большей, чем скорость работы АЦП, из аналогового сигнала приходится делать выборки (или отсчеты). Для этого некоторое значение сигнала в выбранное время запоминается на интервал, необходимый для того, чтобы произвести преобразование его в двоичный код с помощью АЦП.
Эту функцию выполняют устройства выборки и хранения (УВХ), которые являются аналоговыми запоминающими устройствами и в зарубежной литературе часто называются Sample-Hold Amplifier (SHA) [1,2,5,9,10,11]. В большинстве случаев для этого используют различные сочетания накопительного конденсатора и аналоговых ключей с согласующими усилителями. Такие устройства можно создавать на базе существующих микросхем широкого применения - мультиплексоров, операционных усилителей и др. Однако поскольку к характеристикам УВХ предъявляются достаточно высокие требования, то в последнее время был налажен выпуск целиком интегральных микросхем специализированного назначения.
Хранение данных можно было бы реализовать и в цифровой форме, однако быстродействие и сложность соответствующих устройств не позволили найти им широкое применение. В аналоговых устройствах выборки и хранения фактически производится операция дискретизации непрерывного сигнала с тем, чтобы в дальнейшем при помощи АЦП произвести его квантование и кодирование. В цифровых устройствах выборки и хранения последовательность иная. Вначале выполняется квантование сигнала, а затем его дискретизация и запоминание. Структурные схемы этих двух типов УВХ приведены на рис.15.1. На этих схемах сигнал стробирования управляет процессом дискретизации, а квантование обычно производится АЦП или линейкой компараторов (типа параллельного АЦП).
В основу операции выборки и хранения в идеальном случае положено фильтрующее свойство импульсной функции 
:
, (15.1)
согласно которому определяется мгновенное значение функции в дискретные моменты времени tn.
Рис.15.1. Устройство выборки и хранения аналоговое (а) и цифровое (б)
В действительности стробирование осуществляется при помощи стробирующих сигналов g(t-tn), имеющих конечную длительность и сложную форму, поэтому определяется некоторая функция от входного сигнала в пределах существования стробирующего импульса
, (15.2)
где F - символ функционального преобразования во время действия стробирующего импульса g(t-tn).
В связи с этим реальное стробирование можно классифицировать или по виду стробирующего импульса, или по виду функционального преобразования F. По виду стробирующих импульсов различают: прерывание входного сигнала последовательностью прямоугольных импульсов с фиксированной длительностью tстр (рис.15.2, а)и модуляцию входного сигнала последовательностью импульсов произвольной формы (рис.15.2,б). Общим для этих двух процессов стробирования является то, что стробированный сигнал получается в результате перемножения последовательности строб-импульсов и входного сигнала, а отличие заключается в механизме получения выборки.
Рис.15.2.Стробирование УВХ с помощью прямоугольных импульсов (а) и амплитудно-импульсной модуляции (б)
По способу получения отсчетов входного сигнала различают:
-стробирование прямоугольными импульсами при малой постоянной времени цепи хранения выборки;
- стробирование с интегрированием на интервале выборки и
- стробирование перемножением.
При этом наибольшее распространение получили устройства выборки и хранения, стробируемые прямоугольными импульсами достаточно малой длительности.
Основные характеристики УВХ. Как было сказано ранее, основной функцией УВХ является запоминание на конденсаторе в течение некоторого времени значения входного напряжения. В режиме выборки УВХ повторяет входной сигнал, а затем по строб-импульсу запоминает мгновенное значение напряжения на конденсаторе и переходит в режим хранения. В связи с этим полный цикл работы УВХ состоит из четырех этапов: 1) выборки, 2) перехода от выборки к хранению, 3) хранения и 4) перехода от хранения к новой выборке.
В режиме выборки основными параметрами УВХ являются: время выборки и коэффициент передачи. Временем выборки tв называется интервал времени, в течение которого образуются выборочные значения напряжения на накопительном конденсаторе. Время выборки задается длительностью стробирующего импульса.
При работе УВХ в режиме слежения время выборки является временем слежения. Время выборки связано с погрешностью δ образования выборочного значения входного напряжения.
Коэффициент передачи Кп (коэффициент усиления) УВХ - это отношение выбранного значения к значению входного напряжения в момент выборки. Наиболее часто УВХ повторяет входной сигнал, т. е. имеет коэффициент передачи, равный единице. Однако в некоторых случаях используются УВХ с усилением входного сигнала. Погрешность коэффициента передачи характеризует его отклонение от расчетного значения.
При переходе от режима выборки к режиму хранения основными параметрами УВХ являются: апертурное время и погрешность переключения. Апертурное время tа представляет собой интервал времени, в течение которого сохраняется неопределенность между образовавшимся выборочным значением сигнала и моментом времени, к которому оно действительно относится. Это время иногда называют апертурной задержкой.
Переход от режима выборки к режиму хранения сопровождается поступлением на схему УВХ сигнала управления (или снятия строб-импульса, поданного на время выборки). Этот сигнал управления наводит через паразитные емкости помехи на конденсатор хранения и изменяет результат выборки. Это изменение результата выборки называется погрешностью переключенuя.
В режиме хранения основным параметром УВХ является скорость изменения выходного напряжения, которая характеризует погрешность УВХ в режиме хранения. Обычно этот параметр определяется скоростью разряда накопительного конденсатора dUc/dt=I/Cxp, где 1 - сумма токов утечки ключа и тока смещения усилителя, Схр - емкость хранения. Спад выходного напряжения определяет время храненuя напряжения с заданной погрешностью. Все сказанное относится к аналоговым УВХ и отсутствует в цифровых УВХ.
При переходе от хранения к выборке основным параметром является время установления tуст, которое характеризует длительность переходного процесса после поступления строба, разрешающего выборку.
Обобщенной характеристикой точности и быстродействия УВХ является его пропускная способность Ct, определяемая количеством информации о входном сигнале, передаваемом на выход УВХ в единицу времени. Эта характеристика обычно определяется по формуле:
, (15.3)
где tв - время выборки нового значения входного сигнала с заданной погрешностью δ.
Время выборки зависит, в основном, от скорости заряда емкости памяти Схр, поэтому чем меньше емкость хранения, тем меньше время выборки и тем выше качество УВХ. Однако при малой емкости происходит потеря информации во время хранения за счет разряда емкости хранения токами утечки. В этом случае компромиссным решением является применение двухкаскадных УВХ.
Принципы построения УВХ. Простейшая схема УВХ приведена на рис.15.3, а. Эта схема состоит из ключа, управляемого строб-импульсом, и емкости хранения Схр. На рис.15.3,б показан график преобразования входного сигнала при помощи этого идеального УВХ. В режиме выборки выходное напряжение полностью соответствует входному сигналу, а в режиме хранения - мгновенному значению входного сигнала в момент окончания выборки.
Рис.15.3. Простейшая схема УВХ (а) и графики входного и выходного сигналов в идеаль-
ном случае
В действительности использовать такую простую схему невозможно по ряду причин: выходное сопротивление источника сигнала и конечное сопротивление ключа приводят к появлению переходного процесса, в результате которого процесс заряда растягивается во времени; в режиме хранения конденсатор перезаряжается током утечки ключа и разрядом его на нагрузку; через паразитные емкости ключа сигнал строба изменяет сигнал на нагрузке.
Для улучшения характеристик УВХ применяют операционные усилители. Для построения УВХ достаточно одного ОУ, как показано на рис.15.4,а. Когда входное напряжение изменяется ступенчато, что эквивалентно замыканию ключа S при постоянном входном напряжении, то напряжение на выходе изменяется по уравнению
,
и в результате конденсатор будет заряжен до напряжения -uвх.
Рис.15.4. Схема инвертирующего УВХ на одном ОУ (а) и схема с уменьшением тока утечки ключа на
полевом транзисторе (б)
Если за время, пока ключ S разомкнут, напряжение изменится до значения uвх’, то при следующем замыкании ключа выходное напряжение uвых будет переходить к новому значению по уравнению
,
где RC=τс - постоянная времени цепи выборки.
В качестве ключа могут быть использованы схемы на биполярных или полевых транзисторах, диодные мостовые схемы и др. На рис.15.4,б приведена аналогичная схема на ОУ с ключом на полевом транзисторе VT2. В этой схеме в режиме выборки погрешность определяется падением напряжения на сопротивлении открытого транзистора VT2 из-за протекания входного тока ОУ.
Для уменьшения тока утечки транзистора VT2 в схему введен ключ на транзисторе VТ1, которой подключает сток транзистора VT2 к общей шине в режиме хранения и тем самым уменьшает ток утечки почти до нулевого уровня. В результате конденсатор хранения разряжается только очень малым током утечки затвора транзистора VT2.
Схемы неинвертирующих УВХ на одном ОУ приведены на рис. 15.5. В схеме, изображенной на рис.15.5, а, на входе установлен повторитель напряжения на ОУ. Это позволяет исключить влияние внутреннего сопротивления источника сигнала на работу УВХ. Однако в этой схеме большую погрешность вносят помехи, которые проходят из цепи управления через емкость затвор-исток полевого транзистора VT1. Кроме того, на разряд конденсатора влияет нагрузка, подключенная к выходу ключа.
Рис.15.5. Схема неинвертирующего УВХ на одном ОУ: с входным повторителем (а) и с выход-
ным повторителем (б)