АЦП (рис. 1) спочатку відбувається формування старших розрядів вихідного слова перетворювачем АЦП1, а потім йде період встановлення вихідного сигналу ЦАП. На цьому інтервалі АЦП2 простоює. На другому етапі під час перетворення залишку перетворювачем АЦП2 простоює АЦП1. Ввівши елементи затримки аналогового і цифрового сигналів між ступенями перетворювача, отримаємо конвеєрний АЦП, схема 8-розрядного варіанта якого наведена на малюнку 3.
Малюнок 3 - Структурна схема конвеєрного АЦП.
Роль аналогового елемента затримки виконує пристрій вибірки-зберігання ПВХ2, а цифрового - чотири D-тригера. Тригери затримують передачу старшого полубайта у вихідний регістр на один період тактового сигналу CLK.
Сигнали вибірки, що формуються з тактового сигналу, надходять на ПВХ1 і ПВХ2 в різні моменти часу. ПВХ2 переводиться в режим збереження пізніше, ніж ПВХ1 на час, рівний сумарній затримці поширення сигналу по АЦП1 і ЦАП. Задній фронт тактового сигналу керує записом кодів в D-тригери і вихідний регістр. Повна обробка вхідного сигналу займає біля двох періодів CLK, але частота появи нових значень вихідного коду дорівнює частоті тактового сигналу.
За прототип можна взяти багатоступінчастий АЦП так як при інших рівних умовах перетворювач такого типу виявляється швидше багатотактного перетворювача і за своїми параметрами виявляється найбільш підходящим для реалізації АЦП із заданими в ТЗ параметрами.
. 2 Вибір і обгрунтування напрямку проектування
Проаналізуємо один такт роботи прототипу (малюнок 1). Згідно з ТЗ проектоване пристрій повинен працювати в автоматичному режимі. Тому в прототип необхідно додати генератор стрибає-імпульсів, який забезпечить автоматичний режим роботи.
Крім того, согласно ТЗ проектоване пристрій повинен забезпечити зчитування результату перетворення в ЕОМ. З цією метою на виході потрібно встановити паралельний регістр.
У підсумку функціональна схема проектованого паралельно-послідовного АЦП буде виглядати, як показано на малюнку 4.
Малюнок 4 - Функціональна схема паралельно-послідовного АЦП
2. Вибір і розрахунок електричної схеми
. 1 Розрахунок функціональної схеми
Проведемо призначення вимог вузлам функціональної схеми (малюнок 4) відповідно до технічного завдання. Для всякого перетворювача аналогової величини в код розрахунок структури починається з визначення числа рівнів квантування Nx max або числа розрядів n АЦП:
Nx max=Xm /? k, (1)
де Xm - максимальне значення вхідної величини,? k - крок квантування.
Розрядність АЦП n визначається як:
=logaNx max, (2)
де а - основа системи числення АЦП.
Число розрядів округлюється до найближчого більшого цілого значення n? logaNx max.
Сумарну похибка пристрою представимо двома складовими:
, (3)
де? мет - похибка методу, реалізованого в пристрої (перетворення аналогової величини в дискретну);
? інстр - інструментальна похибка, обумовлена ??не ідеально застосованих функціональних вузлів.
За технічним завданням похибка перетворення не більше 1%. Для поділу сумарної похибки на методичну та інструментальну, на основі знання можливостей і параметрів сучасної функціональної та елементної бази електронних пристроїв, розподілимо сумарну похибка наступним чином:
;
.
Тоді максимально допустимий похибкою крок квантування знаходимо за формулою:
. (4)
Визначимо необхідну кількість рівнів квантування для проектованого АЦП:
Nx max=Xm/D k=10/0,02? 500. (5)
Визначимо мінімальну кількість розрядів АЦП, яке може забезпечити розраховане число рівнів квантування.
, (6)
або. Візьмемо n=9.
Будемо використовувати структуру АЦП з 2-ма групами: 5 двійкових розрядів в першій і 4 у другій групі.
При кванті АЦП в 20 мВ і числі розрядів n=9, максимальне значення вхідної напруги яке він зможе зареєструвати визначається:
Uвх max=(2n - 1)? D k=(29 - 1)? 0,02=10,22 В. (7)
Розрахуємо опорні напруги для кожного АЦП. Максимальна напруга яке повинен перетворити другий АЦП знайдемо так:
...
