Простейший 4-разрядный АЦП на одной цифровой микросхеме
Двоичный 4-х битный аналого-цифровой преобразователь прямого преобразования на ИМС 4001 (4011) из журнала "Wireless World"
В далёком 1981 году в английском журнале «Wireless World», May 1981, p.60. была опубликована небольшая, но, на мой взгляд, весьма интересная
статья "Simple a-to-d converter" под авторством A. E. Prinn-а.
Как это зачастую случалось, статью, не откладывая в долгий ящик, в полном объёме перепечатали в журнале «РАДИО» № 8, 1982, стр.61,
а схему АЦП на КМОП-инверторах, приведённую в первоисточнике, разместили (но уже не так оперативно) в справочнике В. Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы»,
1987.
Да и действительно, схема отличается необычайной простотой, а поэтому для ситуаций, когда не столь важны высокая разрядность и точность преобразования, я
бы счёл счёл её довольно полезной. Поэтому для начала вспомним статью из Радио:
ПРОСТОЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Простейший АЦП может быть построен по схеме, приведенной на рис.1. Входное напряжение, которое может изменяться в диапазоне от нуля до напряжения
источника питания (Uп), представляется на выходах преобразователя в параллельном дополнительном двоичном коде.
Для нормальной работы АЦП инверторы-компараторы A1-А4 должны переключаться при напряжении на их входах, равном Uп/2, а выходные напряжения компараторов
в устойчивых состояниях должны быть близкими к нулю и Uп. Кроме того, компараторы должны обладать высоким входным и низким выходным сопротивлениями.
Перечисленным выше требованиям удовлетворяют большинство современных ОУ, инвертирующие входы которых подключены к потенциалу Uп/2.
Если требуемая точность аналого-цифрового преобразования не превышает четырех разрядов, то в качестве основы для АЦП вполне можно использовать счетверенные
КМОП логические элементы "И-НЕ" или "ИЛИ-НЕ".
Один из вариантов такого устройства представлен на рис. 2. Его входное сопротивление около 22 кОм, а время
преобразования – не более 300 нс.
Источник: "Wireless World" (Англия), май 1981, № 1544
Примечание редакции.
Отечественным аналогом микросхемы 4001 является К176ЛЕ5, а 4011 – К176ЛА7.
Для проверки работоспособности приведённого преобразователя схема была прогнана через программу электронного моделирования.
При напряжении питания микросхемы 10В симулятор показал следующие уровни входного напряжения,
соответствующие переключению битов преобразователя:
| Уровень входн. сигнала (В) |
Вых. код |
Уровень входн. сигнала (В) |
Вых. код |
Уровень входн. сигнала (В) |
Вых. код |
| 0 – 0.74 |
1111 |
3.19 – 3.81 |
1010 |
6.18 – 6.79 |
0101 |
| 0,74 – 1.36 |
1110 |
3.81 – 4.42 |
1001 |
6.79 – 7.41 |
0100 |
| 1,36 – 1.97 |
1101 |
4.42 – 5.00 |
1000 |
7.41 – 8.02 |
0011 |
| 1.97 – 2.57 |
1100 |
5.00 – 5.57 |
0111 |
8.02 – 8.63 |
0010 |
| 2.57 – 3.19 |
1011 |
5.57 – 6.18 |
0110 |
8.63 – 9.25 |
0001 |
К сожалению, ни в одном из перечисленных источников не указано, что разрядность данного АЦП инверсная, т. е. минимальному уровню сигнала соответствует
код 1111, а максимальному – 0000.
Для перевода работы АЦП в стандартный режим работы к выходам каждого из разрядов следует подключить по одному инвертору.
Кстати, при таком построении возникает довольно простая возможность охватить каждый из компараторов небольшой положительной ОС, что при незначительном
ухудшении линейности преобразования (не более 1,5...2%) многократно повышает экономичность АЦП, а также чёткость срабатывания компараторов
в моменты изменения кода.
На схеме, приведённой на рисунке, такую положительную связь образуют 4 резистора номиналом 2MΩ.
|
