6.2.2 Развертывающие ацп

Функциональная схема развертывающих АЦП подобна рисунку 6.10. Но в данном случае производится квантование до пересечения с преобразуемым сигналом (см. рисунок 6.11), сброс в нуль, затем вновь квантование, сброс и т.д.

Рисунок 6.11

Достоинство: высокая точность (погрешность в 1квант).

Недостатки:

– отсчет производится в точках 1, 2, а что в промежутке – неизвестно;

– большое время преобразования, так как необходимо развертывать квантами;

– циклы преобразования переменные во времени;

– можно сделать постоянные циклы, но это тоже не экономично;

– точки 1, 2 соответствуют коротким интервалам времени, в течение которого нужно произвести отсчет. Для того, чтобы интервал времени между точками 1 и 2 использовался более эффективно вводят УВХ (устройство выборки хранения) наподобие эмиттерных повторителей, хранящих уровни точек 1,2 в течение интервалов времени 1 – 2.

В связи с этими недостатками в интегральных микросхемах не применяются.

6.2.3 Ацп с регистром последовательного приближения

В интегральной схемотехнике широко применяется метод последовательных приближений (поразрядного уравновешивания) с использованием регистра РПП (регистр последовательных приближений).

Сущность данного метода заключается в том, что заполняется регистр не от нуля. Первая единица вносится в старший разряд, затем – в ближайший к старшему и т. д. Следовательно, аналоговый выход соответствует не одному кванту, а старшему разряду и т. д. Т. е. регистр заполняется за время, соответствующее числу разрядов двоичного кода.

Процессы преобразования в определенной мере подобны скачкообразным на рисунке 6.11, но приближение к аналоговому сигналу происходят не “лесенкой”, т.е. начиная с младшего разряда, а скачками, вначале большими ступенями, так как заполнение регистра последовательного приближения начинается со старшего разряда кода, затем ступени уменьшаются в соответствии с “весом” разряда.

Функциональная схема, реализующая этот метод, изображена на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12 – Функциональная схема преобразования с регистром последовательного приближения

Достоинство: повышенное быстродействие, так как нет пошаговой развертки.

Недостатки:

– код отсчитывается в точках, число которых должно быть не менее, чем на порядок выше в сравнении с наивысшей частотой в спектре преобразуемого сигнала;

– в промежутках между точками отсчета информация отсутствует;

– необходимо УВХ;

– высший практический предел преобразования – 12 разрядов.

Дерево, иллюстрирующее работу АЦП с регистром последовательных приближений изображено на рисунке 6.13.

Рисунок 6.13 – Дерево аналого–цифрового преобразования

6.2.4 Ацп с двойным интегрированием

Достоинство: высокая точность преобразований (до 20 разрядов).

Недостатки:

– цикличность, но отсчет производится не в точке, а на отрезке аналоговой характеристики преобразования (это лучше в сравнении с разделом 6.2.3); между отрезками – “черный ящик”;

– невысокое быстродействие, связанное с тем, что в преобразователе затрачивается время на заряд конденсатора и разряд, на интервале которого производится преобразование (см. рисунок 6.14).

Рисунок 6.14 – Интервалы двойного интегрирования

Фрагмент принципиальной схемы АЦП с двойным интегрированием изображен на рисунке 6.15.

Рисунок 6.15 – АЦП с двойным интегрированием

Весь цикл преобразования делится на четыре подинтервала:

а — балансировка (как у ОУ, так как в состав преобразователя входит обычный интегратор на ОУ). На этом подинтервале S2, S4 замкнуты, S1,S3 – разомкнуты;

б — вход интегратора подключается ключом S1 к преобразуемому сигналу, S2, S3, S4 – разомкнуты;

в — вход интегратора подключается к опорному источнику (высокостабильному, высокофильтрованному) S3 – замкнут, S1, S2,S4 – разомкнуты. На третьем интервале (второе интегрирование по рисунку 6.14) из ГТИ в счетчик, не приведенный на рисунке 6.15, записывается число импульсов, пропорциональное входному аналоговому сигналу;

г — производится подготовка к следующему циклу преобразования.

Особенность работы схемы в том, что по горизонтальной оси времени отсчет производится в импульсах ГТИ. Так как ГТИ может быть нестабильным, то если переводить импульсы во время, оно меняется по горизонтальной оси.

Число импульсов, соответствующее интервалу б называется базовым. Обычно его принимают равным 1000. Если, например, вследствие нестабильности, частота ГТИ возросла, то момент 1 (см. рисунок 6.14) переместится влево. Следовательно, временные интервалы первого и второго интегрирования становится меньше. В это более короткое время первого и второго интегрирования пройдет большее число импульсов, результат останется прежним – это физический смысл того, что частота ГТИ не влияет на погрешность преобразования.

На преобразуемый аналоговый сигнал влияют помехи. Для выяснения последствий такого влияния приведем рисунок 6.16.

Рисунок 6.16 — Интегрирование постоянного сигнала без помехи, а);

наложение одного полупериода помехи на постоянный входной сигнал, б);

наложение двух полупериодов помехи на постоянный входной сигнал, в);

наложение многочастотной помехи на постоянный входной сигнал, г).

1 Входной сигнал без помехи при интегрировании достигает уровня точки А (см. рисунок 6.16, а).

2 Накладываем на предыдущий график один полупериод помехи, например сетевого напряжения 50 Гц (см. рисунок 6.16,б). Видно, что результат интегрирования приходит в точку А', т. е. есть вносится погрешность.

3 На рисунке 6.16, в) накладываем два полупериода этого же сетевого напряжения. Результат интегрирования – кривая, но приходит в точку А, (так как площадь интегрирования остается той же, что и на рисунке 6.16, а) погрешности нет , несмотря на наличие помехи, поэтому рассчитывают

,

причем среди всех других помех выбирают наибольшую.

На интервале преобразования укладывается два полупериода колебаний помехи.

4 Накладываем высокочастотную помеху, интегрируется тоже не прямая, но более менее приходит в точку А, т. е. помехи фильтруются преобразователем (см. рисунок 6.16, г).

АЦП с двойным интегрированием выпускаются промышленностью в интегральном исполнении, применяются для преобразования относительно низкочастотных сигналов.