Принцип работы аналого-цифрового преобразователя

Для получения напряжений, равных уровням квантования в схеме, использован делитель напряжения на N одинаковых рези* сторах, подключенный к выходу источника эталонного напряжения U_Ref- Формирование в данном АЦП выходного кода одновременно по всем разрядам предполагает получение максимально

Рис. Структурная схема параллельного АЦП

 

возможного быстродействия. Его  время преобразования определяется только структурой ПК и собственным быстродействием используемой элементной базы.

Следует заметить, что повышение  точности работы АЦП данного типа всегда связано со значительными аппаратными затратами. Так, для построения 8-разрядного АЦП необходимо 255 компараторов. Реально общее число элементов в ИС такого АЦП достигает 3 • 10⁴, а потребляемая мощность 2,5 Вт.

На практике компромисс между быстродействием  и сложностью схемы разрешается в так называемых параллельно-последовательных схемах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АЦП. Принцип их работы основан  на выделении в АЦП нескольких самостоятельных структур (групп). Например, при двух структурах первая осуществляет грубое преобразование, формируя старшие разряды выходного кода, вторая формирует младшие разряды выходного кода. На ее вход подается разность входного напряжения и напряжения с выхода дополнительного ЦАП, преобразующего в аналоговую величину код старших выходных разрядов. Для повышения точности преобразования эта разность усиливается в 2¹ раз, где / — разрядность кода на выходе первой «грубой» структуры.

Такое решение позволяет при  приемлемой сложности реализации увеличить число выходных разрядов АЦП до 10 ..

 

 

АЦП С ДВОЙНЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ

Аналого-цифровой преобразователь  с двойным интегрированием является разновидностью устройств, реализующих  метод последовательного счета. Однако от рассмотренных ранее АЦП данного класса они отличаются повышенной точностью и помехозащищенностью. Объясняется это тем, что любой сигнал (U_c), кроме полезной собственно информационной составляющей ((/_ИНф) содержит составляющие помех (f/пбм), которые носят, как правило, периодический характер с периодом Т_п. Это, например, наводки от питающего напряжения, собственные шумы элементов и т. д.:

U = и_инф + 2 U_nou sin 2ttt/T_n.

При непосредственном преобразовании выборка 1/_с происходит в дискретные моменты времени и поэтому выходной код пропорционален мгновенным значениям U_c, а не £/_инф.

Если в процессе преобразования сигнал U_c проинтегрировать, при этом время интегрирования выбрать кратное периодам составляющих помех Г_п, то результат будет пропорционален собственно информационной составляющей сигнала

 

 

 

Этот подход и реализован в АЦП  с двойным интегрированием. Идея их построения заключается в следующем.

Сначала, в течение некоторого фиксированного временного интервала t\ входной сигнал интегрируют аналоговым интегратором. Полагая, что на этом интервале 1/_инф постоянно, а в момент / = О выходное напряжение интегратора равнялось нулю, для момента t\ можно записать

Далее к входу интегратора подключают некоторое эталонное напряжение (£//?ef), полярность которого противоположна полярности напряжения С)_инф. Интегрирование U_REf ведут до тех пор, пока его выходное напряжение не уменьшится до нуля. Если U_REf постоянно, то можно записать

Решая (23.13) относительно временного интервала At = t₂—t_u получаем

&t = t/инф ti/U^EF- (23.14)

Из (23.14) следует, что интервал At не зависит от собственных параметров интегратора и определяется только временем интегрирования входного сигнала и эталонным напряжением.

Если в течение интервала At посчитать счетчиком число импульсов некоторой тактовой частоты /_т, то полученный код будет пропорционален входному напряжению. При этом в силу (23.12), все составляющие помех будут компенсированы и выходной код М будет пропорционален £/_ИНф:

м= U^tifJ Uref. ' (23.15)

Если выполнить условие |:С/R£j=-1 > | С/инф |. то интервал t\ будет всегда больше интервала At и его можно задать, посчитав число импульсов той же частоты /_т тем же счетчиком

Л = 2*//_т.

Подставив значение t\ в (23.15), окончательно получим

M = 2»U_n^IU_REF. (23.16)

Из выражения (23.16) следует, что при  таком способе реализации выходной код АЦП зависит только от £/_ИНф и Uref и, следовательно, долговременные нестабильности как интегратора (RC), так и

 

 

 

задающего генератора (f_T) не влияют на точность преобразования. Именно этим и объясняется высокая точность и помехозащищенность данного АЦП.

Пример технической реализации АЦП с двойным- интегрированием показан на рис. 23.15, а на рис 23.16 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу.

т

Рис. Структурная схема АЦП с двойным интегрированием ^ипуск А

 

Рис. Временные диаграммы напряжений в схеме АЦП с двойным интегрированием

 

В исходном состоянии триггеры DD2 и DD3 сброшены. Поэтому управляющие переключатели S1 и 52 разомкнуты, а S3 сигналом элемента 2ИЛИ—НЕ DD6 замкнут, что обеспечивает поддержание выходного напряжения интегратора DA\ на нулевом уровне.

Запуск схемы осуществляется подачей в момент / = /₀ импульса «Пуск»

 

 

 

(LJ_Пуск) на S-вход flS-триггера DD2. При этом выходной сигнал триггера DD2 замыкает переключатель S1 и размыкает переключатель S3 Входное напряжение подается на вход интегратора, выполненного на ОУ DA 1 Если U_BX>0, то выходное напряжение интегратора начинает уменьшаться В момент t\ напряжение Uda\ = U₀ и компаратор, выполненный на ОУ DA2 формирует на верхнем входе элемента 2И DD4 пассивный логический уровень. В результате этого на счетный вход счетчика DD5 начинают поступать импульсы генератора тактовых импульсов (ГТИ) Это состояние схемы поддерживается до момента t₂, в который счетчик DD5 на выходе Р сформирует сигнал переполнения. Этот сигнал сбрасывает триггер DD2 и устанавливает триггер DD3. В результате переключатель S1 размыкается, a S2 замыкается и на вход интегратора подается эталонное напряжение —Uref

В силу выражения (23.13) выходное напряжение интегратора начинает уменьшаться При этом счетчик DD5 увеличивает свой выходной код с нуля.

Процесс интегрирования завершается в момент /з, когда выходное напряжение интегратора достигнет уровня Uo. В этот момент компаратор DA2 установит на верхнем входе элемента 2И DD4 активный логический сигнал, что приведет к окончанию счета, и сбросит триггер DD3, который выключит переключатель S2 и включит переключатель S3.

В результате на выходе счетчика DD5 будет сформирован код, пропорциональный входному напряжению.

Следует отметить, что в рассмотренной схеме дрейф параметров ОУ, использованных для выполнения интегратора и компаратора, также не вносит погрешностей в получаемый результат, так как на интервале преобразования временное изменение их характеристик исчезающе мало. К тому же введение в компаратор DA2 источника U₀ как бы сдвигает начальный участок характеристики интегратора, влияние собственных погрешностей на котором максимально. Все это позволяет разрабатывать 10— 12-разрядные АЦП без использования специальных высокоточных и высокостабильных элементов.

6. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АЦП РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

К настоящему времени разработано  большое число ИС АЦП, отличающихся по функциональному составу, назначению, электрическим, конструктивным и другим характеристикам. Это многообразие устройств является следствием различия требований, предъявляемых к АЦП конкретными условиями их применения, которые, к сожалению, на современном этапе развития схемотехники и технологии не могут быть удовлетворены единым техническим решением.

 

 

В качестве примера в табл. перечислено  несколько типовых применений АЦП и требования, предъявляемые к ним реальными условиями работы. Анализ приведенных требований позволяет разбить все АЦП на три самостоятельных группы. Первая — это устройства не слишком высокой точности, но обеспечивающие высокое и сверхвысокое быстродействие. Вторая группа — АЦП со средними быстродействием и точностью. Третья группа — это прецизионные устройства малого быстродействия. Такое разбиение по сочетаниям параметров и является причиной применения при разработке АЦП трех вышеперечисленных методов преобразования.

Таблица. Усредненные параметры АЦП различных типов

Тип	Число разрядов	Частота входного сигнала, Гц
АЦП двойного интегрирования	16	50 . . . 500
АЦП поразрядного   уравновешивания	12	106
Параллельные АЦП	8	ю8

В табл. 23.2 приведены типовые параметры  ИС АЦП, реализующих ранее рассмотренные методы преобразования. Очевидно, что эти параметры соответствуют группам, выделенным по результатам анализа табл. 23.1. Так, для разработки устройств измерительной техники, предъявляющих высокие требования к точности при малом быстродействии, широкое применение находит метод двойного интегрирования.

 

Самыми быстродействующими являются устройства, работающие по методу параллельного  преобразования (считывания). К сожалению, разработка на. их основе устройств повышенной точности при современном уровне технологии не представляется