Тема Математическое введение в цифровую технику. 1-1

АЦП последовательного приближения. В основе метода последовательного приближения или, как его еще называют, поразрядного уравновешивания лежит принцип сравнения амплитуды входного аналогового сигнала с сумой различных по значению эталонов. Число таких эталонов равно числу разрядов АЦП, а их значения пропорциональны отдельным разрядам двоичного кода. Эталон с самым большим значением напряжения соответствует старшему разряду кода, а с самым малым – младшему. Причем значение каждого следующего эталона вдвое меньше значения предыдущего. Сумма значений всех эталонов соответствует величине максимального входного напряжению АЦП. Просуммировав только те эталоны, общее значение которых совпадет с напряжением входного сигнала, на выходе АЦП установится соответствующий этим значениям двоичный код. Структурная схема АЦП последовательного приближения приведена на рис. 9.7,а. Элементы DD2 – DD4 образуют так называемый регистр последовательных приближений.
Преобразование начинается с выставления единичного импульса на входе «Start» (момент времени t₁) (рис.9.7,б). По этому сигналу осуществляется установка в единичное состояние RS-триггера DD4₀ самого старшего разряда D_n-1 выходного кода. Триггеры DD4₁ – DD4_n-1 остальных разрядов D_n-2 – D₀ через элементы ИЛИ DD3₁ – DD3_n-1 сбрасываются в нулевое состояние. Таким образом, на входе ЦАП DD5 фиксируется код с единицей в самом старшем разряде и нулями в остальных разрядах. Передним фронтом импульса тактового генератора единичный уровень сигнала «Start» записывается в младший разряд Q₀ последовательного регистра DD1, который в свою очередь открывает стробирующий элемент И DD2₀. Если значение выходного напряжения с ЦАП превышает или равняется амплитуде входного сигнала, т.е. выполняется условие U_{вых.ЦАП}U_вх., то на выходе компаратора DA1 формируется логическая единица, которая проходит через открытый элемент И DD2₀ на вход сброса R триггера DD4₀ и устанавливает его в нулевое состояние. В самом старшем разряде выходного кода формируется логический нуль.



Рис. 9.7. Структурная схема и временная диаграмма работы АЦП последовательного приближения.

Если выходное напряжение с ЦАП оказывается меньше амплитуды входного сигнала, т.е. выполняется U_{вых.ЦАП}<U_вх., то на выходе компаратора формируется логический нуль, элемент DD2₀ закрывается и триггер DD4₀ сохраняет единичное состояние.

Вторым тактовым импульсом осуществляется сдвиг единицы в регистре из разряда Q₀ в разряд Q₁. Сигнал «Start» при этом должен быть сброшен в нуль. Тогда в разряде Q₀ регистра формируется логический нуль. Элемент DD2₀ закрывается, а элемент DD2₁ открывается. Триггер DD4₀ оказывается лишенным каких-либо воздействий и сохраняет сформированное значение старшего разряда двоичного кода. Логическая единица с выхода Q₁ регистра подается на вход установки S триггера DD4₁ и устанавливает его в единичное состояние. На входе ЦАП формируется новый код с сохраненным значением старшего разряда D_n-1 и установленным единичным значением разряда D_n-2. Новое сформированное напряжение с выхода ЦАП поступает на компаратор. При этом, если выполняется условие U_{вых.ЦАП}U_вх., то на выходе компаратора вновь формируется логическая единица, которая проходит через открытый элемент DD2₁ и элемент DD3₁ и сбрасывает триггер DD4₁ в нулевое состояние. Если U_{вых.ЦАП}<U_вх., компаратор формирует напряжение логического нуля и триггер сохраняет установленное единичное состояние. Таким образом, триггер DD4₁ фиксирует значение разряда D_n-2. Процесс будет продолжаться в сторону убывания разрядов D_i до тех пор, пока не сформируются значения всех разрядов выходного двоичного кода (момент времени t₂).
Очевидно, что время преобразования t_c=t₂-t₁ определяется только частотой следования импульсов тактового генератора и количеством разрядов выходного кода. При этом от формы входного аналогового сигнала это время не зависит, т.е. оно постоянно. Поэтому для определения момента завершения преобразования можно просто воспользоваться техническими характеристиками АЦП. Тем не менее, для облегчения синхронизации работы АЦП с другими устройствами предусмотрен выходной управляющий сигнал «Busy», формируемый триггером DD6. Для установки этого сигнала в первоначальное единичное состояние импульсом «Start» триггер DD6 устанавливается в единицу. По последнему n-му тактовому импульсу единица сдвинется на выход Q_n-1 регистра DD1, после чего начнется процесс формирования значения последнего младшего разряда двоичного кода. Поскольку для завершения этого процесса требуется некоторый фиксированный промежуток времени, логическую единицу с выхода Q_n-1 регистра на вход R триггера DD6 необходимо подавать через соответствующий этому времени элемент задержки DL. Это приведет к формированию нулевого уровня сигнала «Busy», являющегося признаком завершения преобразования.