Двухтактный интегрирующий ацп

На рис. 5.7 иллюстрируется метод двухтактного (или двойного) интегрирования. Входное напряжение интегрируется в течение фиксированного интервала времени Т1, который, как правило, соответствует временной реализации всей счетной последовательности внутреннего счетчика. В конце этого интервала счетчик сбрасывается, а вход интегратора переключается на источник опорного сигнала. Выходное напряжение интегратора теперь уменьшается по линейному закону, пока не достигается его нулевое значение, где счетчик останавливается и интегратор устанавливается в исходное состояние. Заряд, накопленный интегрирующим конденсатором в течение первого интервала, должен быть равен заряду, потерянному им в течение второго интервала; значит .

Отсюда следует

Заметим, что отношение временных интервалов является одновременно отношением содержимого счетчика к числовому выражению полного диапазона счета. Другими словами, состояние счетчика в конце интервала t2 представляет собой выходное слово на двоичном выходе АЦП, Рассмотренная схема преобразования легко модифицируется для АЦП, использующих другие выходные коды.

Метод двухтактного интегрирования обеспечивает ряд преимуществ, главное из которых – отличные шумовые характеристики.

Поскольку входное напряжение интегрируется в течение некоторого промежутка времени, любые высокочастотные шумы, накладывающиеся на входной сигнал, при интегрировании компенсируются. Кроме того, фиксированный временной интервал Т1 можно выбрать таким, чтобы почти полностью исключить помехи с частотами, кратными 1/Т1. Для этой цели обычно выбирается временной интервал, определяемый частотой бытовой сети.

Следует отметить, что вариации частоты синхронизации не влияют на разрешение. Разрешение преобразователя ограничено только возможностями входящих в него аналоговых схем, а не дифференциальной нелинейностью, так как выходной сигнал интегратора непрерывен и не может приводить к появлению каких-либо выпадающих кодовых комбинаций на выходе преобразователя. Поэтому довольно просто получить хорошее разрешение и варьировать его путем изменения разрядности внутреннего счетчика и частоты синхронизации.

Главный недостаток двухтактного интегрирующего АЦП – низкое быстродействие. Например, если Т1 выбирается из условия ослабления сетевых наводок с частотой 60Гц и их гармоник, то минимальное возможное значение Т1 будет равно 16,67 мс. Поскольку время преобразования может вдвое превышать эту величину, то производительность преобразователя ограничена 30 отсчетами в секунду; такая производительность слишком мала для любой быстродействующей системы сбора данных. Двухтактные интегрирующие преобразователи широко используются в измерительных устройствах с отображением информации на цифровых индикаторных панелях, в цифровых мультиметрах и термометрах и в других аналогичных устройствах, где допустима низкая скорость отсчетов.

Ацп с преобразованием напряжения в частоту

На рис. 5.8 представлена схема метода аналого-цифрового преобразования с использованием преобразования напряжения в частоту. Аналоговое входное напряжение преобразуется с помощью прецизионного преобразователя напряжение – частота (ПНЧ) в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна величине этого напряжения. Затем счетчик формирует выходное цифровое слово путем подсчета этих импульсов в течение фиксированного интервала времени. Заметим, что входной сигнал эффективно интегрируется в этом интервале. Как и метод двухтактного интегрирования, данный метод преобразования характеризуется низким быстродействием, но хорошей помехоустойчивостью.

Если приемлемо большое время преобразования, метод преобразования напряжение – частота позволяет получить высокое разрешение для медленно изменяющихся сигналов при очень низкой стоимости. Например, при подсчете импульсов ПНЧ с частотой 10 кГц в течение 1 с обеспечивается точность 10^-5 (т. е. лучшая, чем при 13-разрядном разрешении). Более того, эта точность сохраняется в широком диапазоне изменения величины входного сигнала. Громадные преимущества использования преобразования напряжение – частота очевидны для систем дистанционного считывания данных в условиях внешних помех. В таких применениях ПНЧ располагается в непосредственной близости к удаленному измерительному преобразователю. Последовательность импульсов, вырабатываемых ПНЧ, в цифровой форме передается на большие расстояния к станции контроля, где приемно-счетное устройство преобразует эту последовательность в цифровой выходной сигнал. Тем самым исключается передача аналогового сигнала по подверженным внешним помехам линиям передачи и возможное при такой передаче ухудшение отношения сигнал/шум. Передача данных в цифровой форме исключает также синфазные помехи. При необходимости может быть обеспечена гальваническая развязка выхода преобразователя с датчиком; это требуется при осуществлении контроля и управления в высоковольтных системах.

Практическая эффективность использования данного метода аналого-цифрового преобразования зависит от наличия дешевых ПНЧ с хорошей линейностью и стабильностью. Имеется несколько методов реализации функции преобразования напряжения в частоту. Наиболее известный из них – метод зарядового уравновешивания, который обсуждался в разд. 1.9, где были также описаны некоторые ПНЧ, имеющиеся в продаже.