Ацп с двойным интегрированием

Т акие АЦП работают по принципу преобразования измеряемого напряжения во временной интервал с последующим измерением этого интервала (рис. 89).

Рис. 89

П ри работе с АЦП каждый цикл преобразования (рис. 90) включает в себя заряд конденсатора интегратора измеряемым напряжением и разряд – опорным. УУ переключает ключи S1, S2: S1 с начала преобразования на фиксированное время Т; S2 – по истечении Т и до конца преобразования. Преобразование считается законченным, когда напряжение интегратора становится равным нулю, что фиксирует компаратор К. При достаточно большой постоянной времени RC нелинейность процессов заряда и разряда составляет сотые доли процента и, таким образом, точность преобразо­вания U_x в соответствующий интервал T_x весьма высока. Если проводить измерения T_x с малой дискретизацией по времени (при высокой частоте генератора счетных импульсов), можно получить высокое разрешение по времени и соответственно по напряжению.

Разрядность таких преобразователей составляет 16-18 (существуют преобразователи с тройным интегрированием, дающие до 20 разрядов, и даже четырехтактные).

Основное достоинство схемы – сглаживание влияния импульсных помех и обнуление сетевых наводок (при длительности Т, кратной периоду сети). Недостаток – низкое быстродействие.

Лекция 15. Сигма-дельта ацп и цап

АЦП многотактного интегрирования, описанные выше,  имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Например, 13-разрядный AD7550 выполняет преобразование в четыре такта. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен быть снабжен довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и, как следствие, усиливает влияние помех.

Эти недостатки во многом устранены в конструкции дельта-сигма АЦП (в ранней литературе эти преобразователи назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов). Своим названием эти преобразователи обязаны наличию в них двух блоков: вычитающего сумматора (обозначение операции – ) и интегратора (обозначение операции – ). Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а, следовательно, увеличить разрешающую способность – это усреднение результатов измерения на большом интервале времени.

О сновные узлы АЦП – это дельта-сигма модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного дельта-сигма модулятора первого порядка приведена на рис. 91. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала U_вх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а за­тем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.

Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Дельта-сигма модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Примерами дельта-сигма модуляторов высокого порядка являются одноканальный AD7720 седьмого порядка и двухканальный ADMOD79 пятого порядка.

Н аиболее широко в составе ИМС используются однобитные дельта-сигма модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП – аналоговый коммутатор (рис. 92). Принцип действия пояснен в табл. 11 на примере преобразования входного сигнала, равного 0,6 В, при U_оп = 1 В. Пусть постоянная времени интегрирования интегратора численно равна периоду тактовых импульсов. В нулевом периоде выходное напряжение интегратора сбрасывается в нуль. На выходе ЦАП также устанавливается нулевое напряжение. Затем схема проходит через показанную в табл. 9 последовательность состояний.

Таблица 11

Uвх=0,6 В					Uвх=0 В
N такта	U, В	Uи, В	Uк, бит	UЦАП, В	N такта	U, В	Uи, В	Uк, бит	UЦАП, В
1	0,6	0,6	1	1	1	1	1	1	1
2	-0,4	0,2	1	1	2	-1	0	0	-1
3	-0,4	-0,2	0	-1	3	1	1	1	1
4	1,6	1,4	1	1	4	-1	0	0	-1
5	-0,4	1,0	1	1	5	1	1	1	1
6	-0,4	0,6	1	1	6	-1	0	0	-1
7	-0,4	0,2	1	1	7	1	1	1	1
8	-0,4	-0,2	0	-1	8	-1	0	0	-1
9	1,6	1,4	1	1	9	1	1	1	1
10	-0,4	1,0	1	1	10	-1	0	0	-1
11	-0,4	0,6	1	1	11	1	1	1	1
12	-0,4	0,2	1	1	12	-1	0	0	-1
13	-0,4	-0,2	0	-1	13	1	1	1	1
14	1,6	1,4	1	1	14	-1	0	0	-1
15	-0,4	1,0	1	1	15	1	1	1	1
16	-0,4	0,6	1	1	16	-1	0	0	-1

Форма сигналов на схеме рис. 92 и связи между ними показаны на диаграммах (рис. 93).

Р ис. 93

В тактовые периоды 3 и 8 состояния системы идентичны, то есть при неизменном входном сигнале U_вх = 0,6 В цикл работы занимает пять тактовых периодов. Усреднение выходного сигнала ЦАП за цикл действительно дает величину напряжения 0,6 В: (1-1+1+1+1)/5=0,6.

Для формирования выходного кода такого преобразователя необходимо каким-либо образом преобразовать последовательность бит на выходе компаратора в последовательный или параллельный двоичный позиционный код. В простейшем случае это можно сделать с помощью двоичного счетчика. Возьмем в нашем примере 4-разрядный счетчик. Несложно увидеть, что при U_вх = 1 В на выходе компаратора всегда будет единица, что дает за цикл число 16, т.е. переполнение счетчика. Напротив, при U_вх = -1 В на выходе компаратора всегда будет нуль, что дает равное нулю содержимое счетчика в конце цикла. В случае, если U_вх = 0, то, как это видно из табл. 11, результат счета за цикл составит 8₁₀ или 1000₂. Это значит, что выходное число АЦП представляется в смещенном коде. В рассмотренном примере верхняя граница полной шкалы составит 1111₂ или +7₁₀, а нижняя – 0000₂ или -8₁₀. При U_вх = 0,6 В, как это видно из левой половины табл. 11, содержимое счетчика составит 13₁₀ в смещенном коде, что соответствует +5. Учитывая, что +8 соответствует U_вх = 1 В, получаем 5*1/8=0,625 > 0,6 В.

Таким образом, дельта-сигма АЦП можно рассматривать как синхронный преобразователь напряжения в частоту и следующий за ним счетчик. Число единиц, подсчитанное в заданном количестве отсчетов выходного потока данных, счетчик выдаст как цифровое значение входного воздействия. Однако прямой метод накопления подходит только для постоянных или медленно меняющихся входных сигналов из-за низкой скорости преобразования, так как только за 2N тактов цикла можно достичь N-бит эффективного разрешения. Для повышения скорости преобразования применяют специальные способы распараллеливания процессов.

При использовании двоичного счетчика в качестве преобразователя потока битов, поступающих с выхода компаратора, необходимо выделять фиксированный цикл преобразования, длительность которого равна произведению K_счх f_такт. После его окончания должно производиться считывание результата, например, с помощью регистра-защелки и обнуление счетчика. В этом случае с точки зрения помехоподавляющих свойств дельта-сигма АЦП близки к АЦП многотактного интегрирования. Более эффективно с этой точки зрения применение в дельта-сигма АЦП цифровых фильтров с конечной длительностью переходных процессов.

В дельта-сигма АЦП аналоговый сигнал квантуется с очень низким разрешением (как правило, 1 бит) на часто­те, во много раз превышающей максимальную частоту спек­тра сигнала. Используя такую методику передискретизации в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность. Для снижения эффективной скоро­сти поступления отсчетов на выходе АЦП применяется децимация. Однобитовые дельта-сигма АЦП и ЦАП обла­дают превосходной дифференциальной и интегральной ли­нейностью благодаря линейности однобитного квантователя. Здесь не нужна высокоточная лазерная подгонка, как в других архитектурах АЦП. Структура дельта-сигма ЦАП принципиально не отличается от АЦП, за исключением порядка следования процессов.

Ключевыми моментами для понимания действия дельта-сигма преобразователей являются передискретизация, процесс шумообразования в дельта-сигма модуляторе, цифровая фильтрация и децимация.