19. Ацп поразрядного взвешивания. Ацп поразрядного уравновешивания на конденсаторах

По мере развития и совершенствования технологии выяснилось, что в микросхемном исполнении проще делать конденсаторы, чем резисторы. К тому же отношение емкостей получается стабильнее, чем отношение сопротивлений. На рис. 9.21 показан АЦП поразрядного уравновешивания, у которого для упрощения объяснений я сделал всего лишь три двоичных разряда (в действительности такие АЦП могут содержать до 18 разрядов).

Рис. 9.21. АЦП поразрядного уравновешивания с ЦАП на конденсаторах

Схема АЦП содержит преобразователь кода в напряжение ПКН, устройство сравнения УС, генератор тактовых импульсов ГТИ и устройство управления УУ. В свою очередь ПКН состоит из источника опорного напряжения ИОН, двоичного набора конденсаторов 4С(старший разряд, СР); 2С;С(младший разряд, МР);Си переключателейSW₁...SW₅, причёмSW₁...SW₃могут находиться в положениях 1; 2 и 3,SW₄– в положениях 1 и 2, аSW₅– замкнут или разомкнут.

В крупном плане алгоритм преобразования здесь такой же, как в любом АЦП поразрядного уравновешивания, но применение коммутируемых конденсаторов вносит свою специфику в деталях. В АЦП по схеме рис. 9.21 процесс преобразования состоит из семи шагов. Рассмотрим этот процесс.

Пусть .

Рис. 9.22. Схемы, образующиеся на 1-м (а); 2-м (б) и 3-м (в; г) шагах процесса преобразования

Первый шаг

Все ключи находятся в положениях, как на рис. 9.21. Образуется схема , показанная на рис. 9.22, а. Все конденсаторы заряжаются до напряженияU.

Второй шаг

Ключи SW₁...SW₄переключаются в положение 2; ключSW₅размыкается. Ко входу УС приложено напряжениеu= –U(рис. 9.22,б). Посколькуu< 0, на выходе УС образуется сигналY= 1 (ситуация «Меньше»).

Третий шаг

Ключ старшего разряда SW₁переключается в положение 3; остальные ключи остаются в прежних положениях. Образуется схема, показанная на рис. 9.22,в. Она сводится к схеме рис. 9.22,г. В соответствии с законом сохранения заряда на входе УС образуется напряжение

.

Поскольку , т.е.u< 0, сигналYостаётся в состоянии «1».

Четвёртый шаг

Повторение первого шага. Снова все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

Пятый шаг

Ключи SW₁иSW₂переключаются в положение 3; ключиSW₃иSW₄– в положение 2; ключSW₅размыкается. Образуется схема, показанная на рис. 9.23,а. Она сводится к схеме рис. 9.23,б.

На входе УС образуется напряжение

.

Поскольку , теперьu> 0 и сигналYпереходит в состояние «0» (ситуация «Больше»). Это значит, что в дальнейшем ключSW₂больше не будет устанавливаться в положение 3.

Шестой шаг

Повторение первого шага. Снова все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

Рис. 9.23. Схемы, образующиеся после 5-го шага

Седьмой шаг

Ключи SW₁иSW₃переключаются в положение 3; ключиSW₂иSW₄– в положение 2; ключSW₅размыкается. Образуется схема, которая сводится к показанной на рис. 9.24.

На входе УС образуется напряжение

.

Рис. 9.24. Схема, образующаяся после 7-го шага

Поскольку , сигналYпереходит в состоянии «1». На этом процесс преобразования заканчивается. На выходе АЦП образовался код, содержащий «1» в тех разрядах, у которых переключение соответствующих ключей из положения 1 в положение 3 давало на выходе УС сигналY= 1. В рассмотренном процессе это были ключиSW₁иSW₃, т.е. на выходе АЦП образовался код 101. Это двоичный код числаN= 5. При трёх двоичных разрядах квантq=U₀/8 и значение входного напряжения, определяемое по выходному коду.

Многие фирмы выпускают подобные АЦП на 16 разрядов, но есть модели и на 18 разрядов. Например, модель AD7641 фирмыAnalog Devicesимеет 18 разрядов и максимальную частоту повторения выборок 2 МГц (в документации на микросхему указана в форме 2MSPS; [6]).

Примечание

В рассмотренных АЦП запоминание значения входного напряжения U на конденсаторах, необходимое для выполнения поразрядного уравновешивания, попутно выполняет функцию устройства выборки и хранения (УВХ, раздел 9.7).