2.6. Вольтметр на основе ацп параллельного преобразования

В основе параллельного АЦП лежит принцип мгновенного кодирования измеряемой величины UX путем сравнения ее с многозначной нерегулируемой мерой с помощью набора компараторов. В общем случае такой АЦП имеет структуру, приведенную на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Функциональная схема АЦП параллельного преобразования

На рисунке обозначено: ШФ – шифратор, преобразующий позиционный код с выходов компараторов; К₁ – К_n-1 в двоичный или в двоично-десятичный код; ПУ – преобразователь уровней выполняет преобразование внутрисхемных уровней в стандартные ТТЛ или ЭСЛ-уровни (обычно выходной сигнал АЦП имеет ТТЛ уровни).

Общее уравнение преобразования такого прибора:

где DU = q – квант преобразования, равный

Здесь 2ⁿ – это число уровней квантования, определяемое разрядностью n АЦП.

Значение кванта преобразования можно также выразить формулой

где R_i – сопротивление резистора в делителе напряжения, задающего выходные уровни многозначной меры напряжения с (n-1) выходными уровнями.

Число уровней многозначной меры в такой схеме равно числу компараторов:

n_М = n_К = 2ⁿ -1,

где n – разрядность выходного кода АЦП; n_К – число компараторов.

Сигнал f_Т является стробом, по которому результаты сравнения в компараторах К₁ – К_n-1 фиксируются на их выходах. Стробируемые компараторы используются для расширения частотного диапазона преобразуемых сигналов. Эти компараторы выполнены так, что имеют малый собственный коэффициент усиления k₀ в режиме сравнения и резко увеличивают этот коэффициент при стробировании, то есть в режиме хранения. В этом режиме они не реагируют на изменение сигнала U_X.

Время преобразования такого АЦП

t_ПР = t_{CP X} + t_{ЗР ШФ} + t_{ЗР ПУ},

где t_{CP X} – время сравнения напряжений; t_{ЗР ШФ} и t_{ЗР ПУ} – время задержки распространения сигнала в ШФ и ПУ соответственно.

Очень часто блоки ШФ и ПУ выполнены как единое устройство. Тогда

t_ПР = t_{CP X} + t_{ЗР ШФ}.

Достоинство АЦП параллельного преобразования – высокое быстродействие. АЦП, построенные по такому принципу, обеспечивают время преобразования от 50 нс до 200 пс.

Недостатки АЦП параллельного преобразования:

1. большое число компараторов в АЦП с большой разрядностью;

2. высокое энергопотребление, вызванное большим числом компараторов;

3. как следствие 1-го и 2-го – низкая помехозащищенность;

4. как следствие 2-го и 3-го – низкая устойчивость схемы, что требует наличия определенных корректирующих цепей и обязательной LC-фильтрации по цепям питания (RC-фильтрация не подходит, т.к. потребление большое).

С целью борьбы с указанными недостатками, а также для повышения разрядности АЦП без существенного увеличения энергопотребления такие АЦП разбивают на группы, то есть используют способ параллельно-последовательного преобразования.

Обобщенная структурная схема параллельно-последовательного АЦП, состоящего из двух групп, представлена на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Структурная схема параллельно-последовательного АЦП

На рисунке обозначено: N_СТ – старшие разряды кода N_X; N_МЛ – младшие разряды кода N_X.

Разрядности групп преобразования в таком АЦП определяются выражением

где n_СТ, n_МЛ, n – число, соответственно, старших, младших и всех разрядов преобразования АЦП.

Коэффициент передачи дифференциального усилителя К = 2ⁿ, а максимальная разность (U_X – U_ПКН) = q. Назначение дифференциального усилителя – передать сигнал (U_X – U_ПКН) для преобразования второй группой.

Поскольку (U_X – U_ПКН)_max есть квант преобразования 1-й группы, а назначение 2-й группы – измерить значение этого кванта, то, чтобы не использовать лишних выходных уровней (U_0i) в многозначной мере, значение (U_X – U_ПКН)_max должно быть усилено до уровня U_Xmax. Это позволяет обойтись одной многозначной мерой для компараторов обеих групп.

Погрешности вольтметров с параллельно-последовательными АЦП

1. Погрешность квантования.

2. Погрешность от неточности и нестабильности U₀. В таких АЦП она определяет неточность и нестабильность кванта преобразования q:

3. Погрешность от неравенства между собой номиналов резисторов R₁ ÷ R_n (определяет погрешность линейности преобразования):

где R_i – максимальное отклонение сопротивления резистора в делителе от номинального значения; m – количество резисторов в делителе напряжения.

4. Погрешность от входных токов компараторов. Ей можно пренебречь, если

5. Погрешность от ЭДС смещения нуля компараторов (определяет погрешность дифференциальной нелинейности преобразования АЦП):

где е_0i – ЭДС смещения нуля i-того компаратора.

6. Погрешность полной шкалы преобразования: