Аналого-цифровые преобразователи

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  
Департамент координации деятельности организаций  
в сфере сельскохозяйственных наук 
Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего образования 
«Волгоградский государственный аграрный университет» 
 
Электроэнергетический факультет 
Кафедра «Электроснабжение и энергетические системы» 
 
 
Е. В. Капля 
 
 
 
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 
 
Учебное пособие 
для обучающихся по направлениям:  
13.03.02 Электроэнергетика и электротехника,  
13.05.01 Тепло- и электрообеспечение специальных технических  
систем и объектов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Волгоград 
Волгоградский ГАУ 
2023 
1 

УДК  621.38 
ББК  32.85 
К-20 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудование 
и электрохозяйство предприятий АПК» ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ 
А. П. Евдокимов; доктор физико-математических наук, профессор, 
главный научный сотрудник научно-учебной лаборатории «Физика 
низкоразмерных систем» ФГБОУ ВО Волгоградский государственный 
социально-педагогический университет С. В. Крючков  
 
 
 
Капля, Егор Викторович 
К-20  Аналого-цифровые преобразователи: учебное пособие для 
обучающихся по направлениям: 13.03.02 Электроэнергетика и 
электротехника, 13.05.01 Тепло- и электрообеспечение специальных технических систем и объектов / Е. В. Капля. – Волгоград: 
ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2023. – 100 с. 
 
 
ISBN 978-5-4479-0413-5 
 
 
Рассмотрены основные типы аналого-цифровых преобразователей, 
в 
которых 
реализованы 
различные 
методы 
аналогоцифрового преобразования. Представлены схемы аналого-цифровых 
преобразователей и описаны принципы их работы. 
Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлениям: 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, 13.05.01 
Тепло- и электрообеспечение специальных технических систем и 
объектов. 
 
УДК  621.38 
ББК  32.85 
 
 
Рекомендовано методической комиссией электроэнергетического факультета ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ (протокол № 2 от       
10 октября 2023 года). 
 
 
ISBN 978-5-4479-0413-5 
© ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 
2023 
© Капля Е. В., 2023 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Основным элементом входных цепей цифровых измерительных приборов и многофункциональных измерительных плат (МИП) 
можно считать аналого-цифровые преобразователи. Характеристики 
именно этих устройств определяют точность и частотный диапазон 
проводимых измерений. 
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). АЦП подразделяют по используемому алгоритму на три 
группы (рис. 1): последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Методы преобразования определяют структуру и 
характеристики АЦП, в которых они реализуются  [2, 3, 35]. 
 
 
 
Рисунок 1 – Классификация архитектур АЦП 
 
Разрешение АЦП (разрешающая способность АЦП) – минимальное изменение величины входного аналогового сигнала АЦП, 
которое вызывает изменение цифрового кода на единицу. Эту характеристику иногда называют величиной младшего значащего разряда 
(МЗР). Разрешение АЦП по напряжению равно разности напряжений, 
соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, 
делѐнной на количество выходных дискретных значений. Разрешение АЦП связано с разрядностью АЦП. Разрядность  АЦП  характеризует количество  дискретных  значений, которые АЦП может выдать на выходе. 
3 

Аналого-цифровое преобразование состоит из трѐх этапов: 
дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования. 
Во время этапа дискретизации происходит измерение величины сигнала через строго определенные промежутки времени. Период tд 
дискретизации сигнала – промежуток времени между двумя измерениями сигнала. Обратная величина называется частотой  дискретизации  fд. 
Дискретизация сигналов приводит к потерям информации (искажению формы сигнала при дискретизации и восстановлении сигналов). Реальные сигналы имеют конечную длительность. Функция конечной длительности обладает бесконечно широким спектром, убывающим с ростом частоты. Начиная с некоторой частоты, составляющие высокочастотной части спектра сигнала оказываются ниже 
уровня помех, имеющихся в линиях передачи и преобразования сигнала, и не воспринимаются получателем. Поэтому вводят идеализацию, заключающуюся в том, что реальные непрерывные сигналы 
рассматриваются как функции с ограниченным спектром, который не 
содержит частот выше некоторой граничной частоты 
c
F . Основная 
часть спектра реального сигнала сосредоточена в конечной полосе 
частот, называемой практической шириной спектра. Согласно теореме Котельникова частота дискретизации должна, по крайней мере, в 
два раза превышать максимальную частоту 
c
F  спектра сигнала для 
восстановления сигнала без потерь информации. 
В состав АЦП, как правило, входит устройство выборки и хранения (УВХ) – аналоговое устройство, которое производит выборку 
напряжения непрерывно изменяющегося аналогового сигнала и 
удерживает его значение на постоянном уровне в течение определенного периода дискретизации. Схемы и описания УВХ приведены в 
главе 8. 
Квантование полученных выборок необходимо для получения 
численного значения измеряемой величины и дальнейшего кодирования. Разность напряжений между двумя ближайшими уровнями 
напряжения называют шагом квантования q . Количество уровней 
квантования зависит от разрядности АЦП. Количество уровней равно 
N
2
,  где N  – разрядность АЦП.  Например, двоичный восьмиразрядный АЦП имеет  28=256  уровней квантования, которые нумеруются 
от 0 до 255. 
Дискретный сигнал – сигнал, дискретный во времени, но не 
квантованный по уровню. Цифровой сигнал – сигнал, дискретный во 
времени и квантованный по уровню, после чего выполнена операция 
кодирования. Кодирование – замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами. 
Пропускная способность АЦП измеряется в выборках в секунду 
(samples per second  или кратко SPS). Частота аналого-цифрового 
преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду. 
4 

Полученные элементы выборок могут не попадать на выбранные квантованные значения напряжения. Тогда элементы выборок 
приводят к ближайшему квантовому уровню напряжения. При этом 
возникает погрешность, которая называется шумом квантования.  
Шум квантования – ошибки, возникающие при квантовании сигнала 
(рис. 2). Ошибки квантования являются следствием ограниченного 
разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранѐн ни в одном типе АЦП. 
 
 
 
 
Рисунок 2 – Ошибка квантования (линия 1)  
синусоидального сигнала (линия 2), 
и  квантованный сигнал (линия 3),    
q – шаг квантования сигнала 
 
Модули АЦП обычно имеют встроенный источник опорного 
напряжения (ИОН), т.к. точность измерений и аналого-цифрового 
преобразования зависит от величины опорного напряжения. 
5 

АЦП ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ 
 
Наиболее высоким быстродействием обладают АЦП параллельного действия [7-11], иногда называемые АЦП прямого преобразования 
или параллельными АЦП. АЦП этого типа осуществляют квантование 
сигнала за 1 такт с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала (рис. 1.1). АЦП параллельного действия содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень 
входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своѐм 
выходе логическую единицу. Сигналы со всех компараторов поступают 
на логическую схему, которая выдаѐт цифровой код, зависящий от измеряемого напряжения. 
К входам АЦП подключают два источника: источник измеряемого напряжения 

t
UИЗМ
 и внешний источник ЭДС, от которого запитаны: источник опорного напряжения (ИОН), компараторы, триггеры и 
шифратор. Встроенный ИОН формирует постоянное опорное напряжение 
ОП
U
. Опорное напряжение у микросхем АЦП оно обычно равно 
В
5
, или 
В
3
, или 
В
5
.
2
. Опорное напряжение должно быть точным 
и стабильным, т.к. от него зависит точность аналого-цифрового преобразования. 
АЦП параллельного действия содержит встроенный прецизионный резистивный делитель опорного напряжения 
ОП
U
. Количество 
элементов делителя на 1 больше числа уровней дискретизации преобразуемого (измеряемого) входного напряжения 
ВХ
U
. Два крайних 
элемента делителя (рис. 1.1) должны иметь сопротивления 
2
/
R
. 
Остальные элементы делителя имеют одинаковые сопротивления, 
равные R . Делитель формирует эталонные напряжения, каждое из 
которых подается на свой компаратор. Сопротивления 
2
/
R
 необходимы для минимизации ошибки квантования измеряемого входного 
напряжения 
ВХ
U
 по уровню. 
Входной сигнал 

t
UВХ
 подается (рис. 1.1) на неинвертирующие 
входы компараторов. Количество компараторов определяется степенным выражением 
N
2
. Трѐхразрядный АЦП параллельного действия содержит восемь компараторов 

8
2
1
...,
,
,
К
К
К
 аналоговых сигналов. На инвертирующие входы этих компараторов подаются с делителя напряжения дробные части опорного напряжения, которые 
отличаются от соседних значений на шаг квантования. 
Устройство выборки и хранения (УВХ) формирует выборки 
напряжения  

t
UВХ
 измеряемого напряжения 

t
UИЗМ
 и удерживает 
его значение на постоянном уровне в течение периода дискретизации, равного периоду импульсов сигнала управления 

t
UУПР
. 
6 

 
 
Рисунок 1.1 – Схема трѐхразрядного АЦП параллельного действия 
 
Компараторы одновременно сравнивают входное измеряемое 
напряжение с 
N
2
 эталонными напряжениями, где N  – разрядность 
АЦП. На выходах компараторов формируется так называемый термометрический код. Все компараторы, на которых эталонные напряжения меньше 

t
UВХ
 выдают логическую единицу, а остальные компараторы выдают логический ноль. С увеличением входного напряжения компараторы последовательно устанавливают свои выходы в 
логическую единицу вместо логического нуля, начиная с компаратора, отвечающего за младший значащий разряд. 
Линейка RS-триггеров формирует двоичный код, который может сбрасываться с помощью входа Reset. Подача логической единицы на вход Reset устанавливает RS-триггеры в нулевое состояние. 
Быстрое преобразование термометрического кода в традиционный двоичный код осуществляет (обеспечивает) приоритетный 
шифратор. Количество включенных компараторов преобразуется в 
двоичный код при помощи приоритетного шифратора [35]. Приоритетный шифратор (CD) – преобразователь кода, снижающий разрядность выходного кода с 
N
2
 до N . Схема приоритетного шифратора 
для рассматриваемого 3-разрядного АЦП показана на рисунке 1.2. 
7 

С целью исключения ошибки со старшинством разрядов выходного кода на схемах крайние выходы шифратора и АЦП обозначают (рис. 1.1) стандартными аббревиатурами:  СЗР (старший значащий разряд) и МЗР (младший значащий разряд). 
Верхний уровень квантования напряжения у трѐхразрядного 
АЦП соответствует коду «111». Следующий по возрастанию напряжения уровень соответствует коду «1000», который не является 
трѐхразрядным. Когда 
ОП
ВХ
16
15 U
U


 требуется четвѐртый разряд. 
Роль четвѐртого (самого старшего) разряда выполняет выход Q 
(“Overrange output“). Слово “overrange“ означает превышение диапазона. Логическая единица на выходе Q сигнализирует о том, что 
напряжение 
ВХ
U
 
превышает 
допустимую 
величину 
ОП
ОП
9375
.
0
16
15
U
U



. 
Вход расширения разрядности АЦП, называемый “Expansion“, 
позволяет увеличить разрядность АЦП путѐм подключения дополнительных аналогичных схем. 
Взаимно-однозначное соответствие кодов на выходах 3разрядного АЦП параллельного действия уровням измеряемого 
напряжения на входе 
ВХ
U
 представлено в таблице 1.1. 
 
Таблица 1.1 – Таблица соответствия выходных кодов 3-разрядного 
АЦП уровням входного напряжения 
ВХ
U
. 
Отношение 
Выходы  компараторов 
Коды  на  выходах  
входного  
АЦП 
напряжения 
1
K  
2
K  
3
K  
4
K  
5
K  
6
K  
7
K  
8
K  
СЗР...МЗР 
Q  
к  опорному 
1
0
U
 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 0 0 
0 
ВХ 
U
16
ОП
1
3
U
 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
1 
0 0 1 
0 
16
ВХ 
U
16
ОП
3
5
U
 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
1 
1 
0 1 0 
0 
16
ВХ 
U
16
ОП
5
7
U
 
0 
0 
0 
0 
0 
1 
1 
1 
0 1 1 
0 
16
ВХ 
U
16
ОП
7
9
U
 
0 
0 
0 
0 
1 
1 
1 
1 
1 0 0 
0 
16
ВХ 
U
16
ОП
9
11
U
 
0 
0 
0 
1 
1 
1 
1 
1 
1 0 1 
0 
16
ВХ 
U
16
ОП
11
U
 
0 
0 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 1 0 
0 
16
ВХ 
U
16
13
ОП
U
 
0 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 1 1 
0 
16
13
ВХ 
U
16
15
ОП
U
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
0 0 0 
1 
1
16
15
ВХ 
U
ОП
8 

Современные АЦП параллельного действия содержат встроенный приоритетный шифратор, интегрированный с триггерами, компараторами, делителем напряжения и УВХ на одном кристалле. Такая 
интеграция позволяет сократить расстояния между элементами схемы, уменьшить падения напряжения на соединительных проводниках 
и в результате повысить точность и быстродействие АЦП. В схеме 
АЦП (рис. 1.1) участвует приоритетный шифратор типа 8х3, имеющий 
8 информационных входов I1–I7 и 3 основных информационных выхода для трѐхразрядного кода. Логическая схема такого шифратора 
показана на рисунке 1.2. 
 
 
 
Рисунок 1.2 – Логическая схема трѐхразрядного приоритетного  
шифратора 8х3 
9 

Вход шифратора E  (Enable) – разрешающий вход. При подаче 
0 на вход Е шифратор переходит в так называемое Z состояние, т.е. 
высокоимпедансное (высокоомное) состояние или состояние «Выключено»). Z-состояние – состояние вывода цифровой микросхемы, 
при котором сопротивление между еѐ внутренней схемой, подключѐнной к данному выводу, и внешней схемой очень велико. Вывод 
микросхемы, переведѐнный в Z-состояние, ведѐт себя как не подключѐнный к ней. Внешние устройства, подключенные к этому выводу, могут изменять напряжение на нѐм по своему усмотрению (в некоторых рамках), не влияя на работу микросхемы. И наоборот – схема не мешает внешним устройствам менять напряжение на выводе 
микросхемы. 
Существует несколько разных логических схем приоритетных 
шифраторов, реализованных на логических элементах  «ИЛИ-НЕ», 
«И», «НЕ». Приоритетные шифраторы входят в состав АЦП параллельного действия, но несколько видов приоритетных шифраторов 
выпускаются в виде отдельных микросхем, например SN54HC148, 
SN74HC148 [8]   и  74F148 [12]. 
Передаточная характеристика АЦП – зависимость числового 
эквивалента выходного двоичного кода от величины входного аналогового сигнала. Эту зависимость обычно представляют [35] в графической форме. 
Передаточная характеристика АЦП – зависимости выходных 
кодов АЦП от входного напряжения. Входное напряжение АЦП, как 
правило, откладывают по горизонтальной оси в диапазоне от 0 до 
опорного напряжения 
ОП
U
. В рамках обобщѐнной математической 
модели АЦП параллельного действия не будем указывать численное 
значение опорного напряжения. В этом случае входное напряжение 
нормируют к опорному напряжению 
ОП
U
 на входах делителя напряжения. 
Передаточная характеристика идеального трѐхразрядного АЦП 
параллельного действия показана на рисунке 1.3. Общее количество 
возможных трѐхразрядных двоичных кодов равно 
8
23 
. Восемь 
трѐхразрядных кодов, указанных вдоль вертикальной оси, соответствуют восьми квантованным уровням входного напряжения 
ВХ
U
. На 
выходе Q  формируется логическая единица когда 
ОП
ВХ
16
15 U
U


 
(рис. 1.3). 
Идеальным АЦП называют АЦП с идеальными элементами, и в 
том числе строго одинаковыми идеальными сопротивлениями R  и 
R/2. Не идеальность элементов делителя приводит к другим эталонным напряжениям и дополнительным погрешностям АЦП. 
10