7.7.1 Аналогоцифровое преобразование

На Рисунок 7 .41 показана элементарная модель аналогоцифрового преобразования с ЦАП, составляющим простой блок в системе преобразования. Импульс установки в начальное состояние устанавливает счетчик в ноль и запускает генератор тактовых импульсов. Счетчик считает импульсы генератора, управляя ЦАП, который формирует равномерно увеличивающееся выходное напряжение. Когда выходное напряжение преобразователя чуть превысит входной аналоговый сигнал, сигнал компаратора станет положительным и остановит генератор импульсов. В этот момент выходной сигнал счетчика является цифровым отображением аналогового входного сигнала. Сигнал установки в начальное состояние стирает показание счетчика, чтобы вновь начать процесс преобразования. Любой ЦАП может работать как АЦП, если его включить в контур обратной связи. Сравнивая выходной сигнал ЦАП с аналоговым входным сигналом и используя полярность разности для управления цифровым сигналом, преобразователь в положении равновесия вырабатывает требуемый цифровой выходной сигнал.

Существенным недостатком этого метода является сравнительно большое время, требуемое для кодирования входного сигнала (такое же большое, как и время отсчета полной шкалы); время кодирования удваивается с добавлением каждого выходного разряда. Вследствие низкого быстродействия применение преобразователей счетного типа обычно ограничено цифровыми вольтметрами, где 25 преобразований в секунду является приемлемой скоростью; модификации подобных приборов могут работать с несколькими сотнями преобразований в секунду.

Рисунок 7.41 - АЦП с ЦАП в цепи обратной связи

7.7.2 Основные типы ацп

Как и в случае ЦАП, подавляющее большинство АЦП, находящих сбыт, включают два основных типа: двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них принимает на входе напряжение, а выдает цифровой код, пропорциональный входному напряжению.

7.7.2.1Двухтактные интегрирующие ацп

Двухтактный интегрирующий АЦП, как показано на Рисунок 7 .42, содержит интегратор, некоторый логический узел управления, генератор тактовых импульсов, компаратор и выходной счетчик.

Преобразователь этого типа подсчитывает последовательность импульсов генератора, число которых зависит от амплитуды сигнала, интегрируемого интегратором. Типичное время преобразования равно удвоенному произведению периода импульсов на число уровней квантования. Таким образом, для 12-разрядного преобразователя при частоте генератора импульсов 1 МГц время преобразования будет 2∙1 мкс∙4096 или 8,192 мс. Это время значительно больше, чем для преобразователя последовательного приближения, имеющего такую же частоту генератора импульсов. С другой стороны, для любой заданной точности интегрирующий преобразователь обычно стоит меньше, чем преобразователь последовательного приближения, так как он почти не требует прецизионных элементов.

Рисунок 7.42 - Структурная схема двухтактного интегрирующего АЦП

Согласно Рисунок 7 .42 и Рисунок 7 .43 сначала к интегратору подключается входной сигнал и интегрируется в течение фиксированного интервала времени t1. Если он устанавливается равным периоду частоты питающей сети, то конечное значение выходного сигнала интегратора неизменно (пунктирная кривая для UВХ в интервале времени t1). Цифровой счетчик определяет значение интервала t1 суммированием импульсов от стабильного генератора.

Когда счетчик переполняется, аналоговый входной сигнал отсоединяется от интегратора и интегрируется опорное напряжение (U_ОП имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала). Так как опорное напряжение постоянно, наклон в течение интервала времени t₂ всегда будет постоянным. Тогда, как показано, интервал времени t₂, необходимый для возвращения выходного напряжения интегратора в ноль, является функцией входного напряжения U_BX цифровой счетчик, который установился в конце интервала t₁, в исходное состояние, снова начинает считать в течение интервала t₂. Когда выходное напряжение интегратора достигает нуля, счетчик останавливается и его состояние представляет цифровое слово, отображающее входной аналоговый сигнал.

В интегрирующем преобразователе этого типа не важны стабильность частоты генератора импульсов, если исходить из того, что она остается постоянной за время преобразования, и стабильность «постоянной времени» интегратора. Как длительность начального такта интегрирования, так и длительность такта разряда пропорциональны частоте генератора тактовых импульсов, а скорости интегрирования сигнала и разряда опорным сигналом пропорциональны постоянной времени интегрирования.

Рисунок 7.43 - Работа двухтактного интегрирующего АЦП

Интегрирующий преобразователь из-за наличия длительного времени интегрирования не пригоден для преобразования в цифровую форму высокоскоростных, быстро изменяющихся сигналов. Тем не менее, он весьма полезен для измерения медленно изменяющихся сигналов, на которые могут быть наложены нежелательные сигналы, такие, как наводка частотой 60 Гц. Выбирая время интегрирования равным одному или нескольким периодам сигнала помехи, помеху можно исключить.

Двухтактный интегрирующий АЦП применим до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре, но он относительно медленнодействующий. Его можно модифицировать так, чтобы увеличить его скорость преобразования, и применять, главным образом, в преобразователях с числом разрядов от 8 до 12 для цифровых вольтметров (ЦВ), цифровых панельных измерительных приборов (ЦПИП) и цифровых многошкальных измерительных приборов (ЦМИП). Очевидно, что двухтактный интегрирующий АЦП является слишком медленнодействующим для применений в обычных вычислительных устройствах.