2. Ацп двойного интегрирования
В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, ёмкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код. Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.
2.1. Схема ацп двойного интегрирования к572пв2
При использовании в цифровых мультиметрах аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного счёта и последовательного приближения достаточно удобны, но технологически проблема заключается в производстве высокоточной матрицы типа R-2R. Причём, чем выше разрядность АЦП, тем точнее должна изготавливаться эта матрица. Более технологичен (и соответственно более дешев) АЦП двойного интегрирования.
Рис. 16 – Схема АЦП двойного интегрирования К572ПВ2
Входной сигнал подается на неинвертирующие входы компараторов (DA1-DA8), соединенные параллельно. На инвертирующие входы этих компараторов подаются опорные напряжения с делителя напряжений на сопротивлениях R1-R9; на каждый компаратор подается опорное напряжение, отличающееся от соседних на один уровень квантования. Как только входное напряжение аналогового сигнала превышает опорное напряжение на входе какого-либо компаратора, то на его выход переходит из состояния лог.0 в состояние лог.1.
Если напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя меньше всех напряжений, подаваемых на опорные (инвертирующие) входы компараторов, то на всех выходах компараторов формируются нулевые уровни сигналов. Код на выходе линейки компараторов будет равен 0000000. При увеличении уровня входного сигнала, он в какой-то момент превысит значение опорного напряжения нижнего компаратора. В этом случае на его выходе сформируется уровень логической единицы. Код на выходе линейки компараторов примет значение 0000001. При дальнейшем увеличении уровня сигнала на входе параллельного АЦП код будет принимать значения 0000011, 0000111, и так далее. Максимальное значение кода 1111111 будет выдано на выходе линейки компараторов параллельного аналого-цифрового преобразователя при превышении входным сигналом значения сигнала на опорном входе самого верхнего компаратора.
В результате, на выходах всей совокупности компараторов формируется т.н. «термометрический» код, который далее преобразуется в двоичный код при помощи приоритетного шифратора.
Аналоговые компараторы по внутреннему устройству и схемотехнике очень похожи на операционные усилители с дифференциальным входом, в которые добавлены цепи, отвечающие за «стробирование» компаратора, т.е. активизацию именно в момент запуска преобразования. Отличием является наличие цифрового выходного каскада (с ТТЛ или ЭСЛ логическими уровнями).
Приоритетный шифратор обычно строится по многоступенчатой схеме, что позволяет увеличить частоту преобразования АЦП при сохранении его времени преобразования, т.е. позволяет работать с большими частотами дискретизации не меняя технологии производства кристалла.
Самые быстродействующие АЦП обычно имеют выходы, совместимые с LVDS, ECL и CML логикой, АЦП среднего быстродействия совместимы с ТТЛ/КМОП.
Достоинства
высокое быстродействие, достигающее в современных микросхемах flash ADC десятых долей наносекунды (в лучших образцах – 35…40 фемтосекунд – HMCAD5831 с частотой преобразования 26 ГГц)
Недостатки
большая сложность (количество компараторов в схеме равно числу уровней квантования, и равно 2n , где n - разрядность выходного кода
высокая стоимость ввиду сложности технологического процесса производства, совмещающего на кристалле аналоговые и цифровые цепи
Невысокая точность (в лучших образцах – до 14 разрядов)
Особенности сопряжения с микропроцессорными системами
Поскольку АЦП данного типа, как правило, имеют быстродействие, большее чем микропорцессорная система, то приходится вначале записывать данные с выхода АЦП в быстродействующее буферное ОЗУ.
3. Расчёт генератора тактовых импульсов для АЦП
Для работы многих электронных устройств требуется наличие импульсов, которые становятся сигналами для определённых действий. Сигнал прямоугольной формы может создавать специальное генерирующее устройство. Такие устройства, называемые генераторами тактовых сигналов, могут генерировать сигналы различных частот, чаще всего в их основе лежит либо принцип взаимного поочередного возбуждения каскадов, либо частотно-зависимая положительная обратная связь, вводимая в одном каскаде.
Устройство с взаимным возбуждением усилительных каскадов с перекрестными связями называется мультивибратором и было впервые реализовано на вакуумных триодах английскими физиками Иклсом и Джорданом еще в 1918 г. На сегодняшний день «хрестоматийный» мультивибратор выполняется на паре транзисторов со связями через времязадающие элементы. Схема не производит сигналы высокого качества (с резким фронтом импульса), в отличие, например, от более современных устройств, но её часто приводят, как наглядный пример.