Контрольные вопросы

1. Для чего используются АЦП?

2. Какова зависимость величины выходного кода от входного напряжения АЦП?

3. Объясните принцип работы АЦП с динамической компенсацией.

4. В чём обычно измеряется точность преобразования АЦП?

5. Какие элементы входят в состав АЦП с динамической компенсацией?

6. В чём преимущество и в чём недостаток АЦП с динамической компенсацией?

7. В чём заключается смысл работы “следящего” АЦП, как можно его использовать в качестве УВХ, определителя локальных экстремумов входного сигнала?

Лабораторная работа № 4. Разработка и исследование интегрирующего ацп

Целью работы является выработка у студентов навыков решения кон­кретной инженерной задачи с привлечением тех знаний, которые были получены ими при изучении других дисциплин. Она потребует от студента инициативы и смекалки, достаточно длительной внеаудиторной работы, желательно на своих домашних компьютерах с программной оболочкой NI Multisim.

Краткая теория

Интегрирующие АЦП [1] делятся на два вида: однотактные и двухтактные. Работа однотактных АЦП (рис. 4.1) заключается в следующем: генератор линейно нарастающего напряжения (источник тока и конденсатор) запускается в начале преобразования. В этот момент времени счётчик и регистр обнулены, на выходе триггера имеем низкий потенциал. При подаче импульса на синхронизирующий вход триггера на его выходе появляется высокий потенциал, разрешающий прохождение импульсов генератора тактовой частоты ГТИ (генератор тактовых импульсов) через элемент И-НЕ на счётчик. Одновременно низкий потенциал инверсного выхода триггера на затворе полевого транзистора размыкает цепь «исток-сток» этого прибора, обеспечивая заряд конденсатора. Линейно нарастающее напряжение на неинвертирующем входе компаратора постоянно сравнивается с напряжением входного сигнала на инвертирующем входе ОУ. Процесс продолжается до момента равенства этих двух напряжений, определяя интервал разрешения счёта импульсов с ГТИ (рис. 4.2). В итоге число импульсов счётчика будет пропорционально входному сигналу и может быть использовано в качестве выходного кода.

В конце преобразования сигналом с компаратора триггер воз­вра­щается в нулевое состояние и высоким потенциалом инверсного вы­хода открывает полевой транзистор, разряжая конденсатор. Показания счётчика сбра­сываются, и преобразователь готов к очередному циклу работы.

Рис. 4.1. Однотактный интегрирующий АЦП. Структурная схема

Рис. 4.2. Однотактный интегрирующий АЦП. Напряжение на конденсаторе

Метод однотактного интегрирования прост, но он накладывает жёст­кие ограничения на стабильность и точность конденсатора и ком­паратора. Поэтому в случае необходимости получения высокой точ­ности преобразования использование этого метода нежелательно.

Особенностью двухтактного интегрирующего АЦП (рис. 4.3) яв­ляется использование конденсатора для отслеживания отношения уровня входного сигнала к эталонному.

Рис. 4.3. Двухтактный интегрирующий АЦП. Структурная схема

Входное напряжение в течение первого такта преобразования интегрируется по зависимости

на протяжении фиксированного интервала времени Т₁ (рис. 4.4), который, как правило, соответствует временной реализации всей счётной последовательности внутреннего счётчика. Напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону, так как ввиду малости времени этого первого такта можно принять входное напряжение схемы за постоянную величину, интеграл от которой есть линейная функция. Кривая изменения напряжения уходит в отрицательную область за счёт знака «минус» в формуле интегрирования. В конце этого интервала десятичный счётчик фиксирует максимальное показание n₁ и сбрасывает показания, а сигнал переполнения через схему управления переключает вход интегратора на источник опорного напряжения. Выходное напряжение интегратора теперь увеличивается по линейному закону с постоянной скоростью, пока не достигнет нулевого значения. За время второго такта t₂ устанавливаются показания счётчика n₂. При нулевом уровне выходного напряжения интегратора сигнал компаратора через схему управления прекращает процесс преобразования, показания счётчика n₂ фиксируются в регистре. Далее счётчик обнуляется, и интегратор устанавливается в исходное состояние, готовя схему к следующему такту преобразования. Заряд, накопленный интегрирующим конденсатором в течение первого интервала T₁, должен быть равен заряду, потерянному им в течение второго интервала времени t₂; поэтому

С Т₁U_вх = С t₂ U_оп.

Рис. 4.4. Временная диаграмма двухтактного интегрирующего АЦП

Отсюда следует:

t₂/ Т₁ = U_вх / U_оп = х ,

то есть отношение временных интервалов является одновременно отношением содержимого счётчика к числовому выражению полного диапазона счёта. Следовательно, состояние счётчика в конце интервала t₂ представляет собой выходное слово АЦП.

Временные интервалы T₁, t₂ заполняются тактовой частотой генератора импульсов ГТИ, формируя показания счётчика n₁, n₂. Следовательно,

ƒ*n₂ = (ƒ*n₁/ U_оп ) * U_вх или n₂ = ( n₁ / U_оп) U_вх.

Поэтому показания счётчика на втором такте счёта являются эквивалентом входного аналогового напряжения.

Метод двухтактного интегрирования имеет ряд преимуществ:

1. Поскольку входной и эталонный сигналы подаются на один и тот же конденсатор, к его стабильности и точности не предъявляются высокие требования. Снижаются требования и к компаратору. На метрологию преобразования не влияют временные изменения частоты генератора ГТИ. Колебания во времени периода тактовых сигналов будут одинаковым образом влиять на длительности временных интервалов Т₁ и t₂, а их отношение останется неизменным.

Это позволяет при том же качестве применяемых элементов получить большую точность или при той же точности снизить стоимость устройства.

2. Входной сигнал преобразователя пропорционален среднему значе­нию входного сигнала на фиксированном интервале интегрирования. Выбирая время интегрирования кратным периоду сетевого напряжения, можно обеспечить нечувствительность преобразователя к сетевым наводкам с частотой 50 Гц и её гармоникам.

Главный недостаток двухтактного интегрирующего АЦП – низкое быстродействие. Например, если Т₁ выбирается из условия ослабления сетевых наводок с частотой 50 Гц и их гармоник, то минимально возможное значение Т₁ будет 20 мс. Поскольку время преобразования может вдвое превышать это значение (один такт в 20 мс на заряд конденсатора при интегрировании входного сигнала и второй такт в 20 мс на разряд конденсатора током постоянной величины), производительность преобразователя ограничена 25 отсчётами в секунду. Такая производительность слишком мала для любой быстродействующей системы сбора данных.