11.3. Ацп последовательного приближения

АЦП последовательного приближения, называемый также в специальной литературе АЦП с поразрядным уравновешиванием, в настоящее время является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. Структурная схема и диаграммы работы такого АЦП приведены на рис. 11 .5. Он состоит из трех основных узлов: компаратора КН, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

Рис. 11.5. АЦП последовательного приближения:

структурная схема (а), диаграммы работы (б)

В основе работы АЦП этого класса лежит принцип дихотомии, т. е. последовательного сравнения входного напряжения u(кТ) с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. максимального квантованного напряжения U_{к. max}. Это позволяет для n- разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за n последовательных шагов приближения.

После команды ПУСК с приходом фронта нулевого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для четырехразрядного ЦАП код Х = 100). Благодаря этому выходное напряжение ЦАП равно U_к = 8h, где h - шаг квантования. Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемого напряжения. Если входное напряжение u(кT) больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. На следующем первом такте определяется, в какой четверти диапазона находится u(кT). Каждый последующий такт генератора тактовых импульсов вдвое сужает область возможного значения напряжения U_к.

После четырех тактов в РПП оказывается двоичное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперёд, которое соответствует напряжению u(кT) с точностью ЕМР. Для рассмотренного примера (рис. 11 .5, б) это число равно 1101. На пятом такте РПП выдаёт команду СТОП, и процесс преобразования заканчивается. Одновременно двоичное число из РПП считывается в выходной регистр, где хранится до следующей команды СТОП. При поступлении команды ПУСК цикл преобразования повторяется. В общем случае процесс аналого-цифрового преобразования будет продолжаться столько тактов, сколько разрядов имеет используемый АЦП, и с каждым тактом выходное напряжение ЦАП будет приближаться к напряжению u(кT).

Точность АЦП в основном определяется параметрами компаратора, источника опорного напряжения E_о и ЦАП. Быстродействие АЦП данного типа определяется выражением

T_пр = nT + t_п + t_p + t_y,

где T – период тактовых импульсов, t_п – время переключения компаратора, t_p – время задержки распространения сигнала в РПП; t_y - время установления выходного напряжения ЦАП.

Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигнала. Примером 12 - разрядного АЦП является отечественная ИС 572ПВ1 с быстродействием T_пр = 110 мкс.

11.4. Ацп двухтактного интегрирования

Структурная схема и диаграммы работы такого АЦП приведены на рис.  11 .6. Работу этой схемы можно разделить на три этапа. На первом этапе происходит заряд конденсатора C1, на втором – его разряд, а на третьем – коррекция смещения нуля интегратора и компаратора. В исходном положении ключи S1 - S5 разомкнуты. По команде из устройства управления (УУ) ключ S1 замыкается. Отрицательное входное напряжение u(t) через сопротивление R1 заряжает ёмкость C1 интегратора по линейному закону. К концу интервала времени T_з напряжение на выходе интегратора будет равно

,

где U_ср – среднее значение входного напряжения:

.

Рис. 11.6. АЦП двухтактного интегрирования:

структурная схема (а), диаграммы работы (б)

Наклон прямой, характеризующей скорость заряда конденсатора C1, прямо пропорционален мгновенному значению входного напряжения (u₁₁ > u₁₂).

К началу второго этапа ключ S1 размыкается, а ключ S2 замыкается. Если бы входное напряжение было положительным, то УУ замкнуло бы ключ S3. Полярность опорного напряжения Е_o всегда выбирается УУ таким образом, чтобы оно разряжало конденсатор С1. Величина опорного напряжения не должна быть меньше максимально возможной величины входного напряжения. В противном случае конденсатор С1 не успеет разрядиться до 0. Но она не должна быть и слишком велика, поскольку тогда разряд конденсатора будет слишком быстрым, емкость счетчика не будет использована полностью, что уменьшает разрешающую способность АЦП. В идеальном случае при время заряда и разряда конденсатора С1 равны.

Процесс разряда конденсатора С1 происходит до тех пор, пока выходное напряжение интегратора не станет равным нулю, при этом срабатывает компаратор КН. По этой команде размыкается ключ S2, и содержимое счетчика, накопленное в нем к данному моменту, запишется в выходной регистр. Длительность разряда конденсатора С1 можно найти по выражению

, откуда ,

что свидетельствует о пропорциональности интервала Т_p среднему значению входного напряжения. Заполнение интервала Т_p счётными импульсами, поступающими из УУ с периодом T_u, позволяет найти число импульсов:

m=T_p / T_u.

После окончания переходных процессов на конденсаторе C1 установится напряжение, равное напряжению смещения ОУ. На третьем этапе замыкаются ключи S4, S5, остальные ключи при этом разомкнуты. Вход интегратора ключом S4 соединяется с общей шиной, при этом конденсатор C2 заряжается до напряжения ошибки ОУ и компаратора, которое после размыкания ключей S4, S5 вычитается из входного напряжения при следующем цикле преобразования, а ёмкость C2 разряжается через резистор R2.

К достоинствам интегрирующих АЦП следует отнести их высокую помехозащищённость. Если на входное напряжение наложена гармоническая помеха u_п (рис.  11 .6, б) с периодом, равным T_з, то среднее значение помехи к концу интервала T_з интегрирования будет равно нулю. Случайные помехи и шумы также ослабляются интегратором, но в меньшей степени.

К недостаткам таких АЦП относится низкое быстродействие. Кроме того, при перегрузке АЦП большим входным напряжением конденсатор C1 не успевает разряжаться до нуля на втором этапе. Поэтому АЦП в течение нескольких циклов работает с большой погрешностью. Такие АЦП широко применяются в мультиметрах и других приборах измерения электрических величин, где требуется высокая точность и помехозащищенность и не требуется высокое быстродействие. Примером АЦП двухтактного интегрирования является отечественная ИС 572ПВ2.