24.2.3 Интегрирующие ацп

Интегрирующие преобразователи получили широкое распространение благодаря простоте реализации, высокой разрешающей способности и возможности существенно снизить влияние периодических помех. Однако они могут использоваться только для преобразования низкочастотных сигналов ,т.к.обладают низким быстродействием. Всегда существует противоречие между быстродействием и разрешающей способностью - чем выше разрешающая способность, тем меньше быстродействие.

В интегрирующих АЦП осуществляется промежуточное преобразование в параметр, который легко представить в цифровом виде – это частота или временной интервал, с последующим преобразованием в код. В многообразии этих преобразователей можно выделить два, которые нашли дальнейшее развитие и широкое распространение в виде интегральных схем. Это АЦП двухтактного интегрирования (с промежуточным преобразованием в интервал) и АЦП с импульсной обратной связью (с промежуточным преобразованием в частоту).

АЦП двухтактного интегрирования (рисунок 24.9) состоит из буферного усилителя на ОУ1, интегратора на ОУ2, компаратора на ОУ3, схемы управления, генератора тактовых импульсов ГТИ и элементов, реализующих преобразования временного интервала в код: логического элемента «И», счетчика и регистра.

Рисунок 24.9 - Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования

Работу преобразователя подразделяют на три такта. В первом такте усиленное входное напряжение интегрируется, т.е. находится среднее значение напряжения за интервал . Во втором такте производится интегрирование эталонного напряжения, в третьем такте - коррекция напряжения смещения нуля. Диаграмма работы АЦП двухтактного интегрирования показана на рисунке 24.10.

Рисунок 24.10 - Диаграмма работы АЦП двухтактного интегрирования

В первом такте течение временного интервала , который задан с высокой точностью, ключи,,находятся в исходном состоянии. Напряжениепоступает на буферный усилитель и после усиления интегрируется, напряжение на выходе интеграторарастет по линейному закону

, (24.9)

к концу интервала будет равно

, (24.10)

где k – коэффициент усиления буферного усилителя,

- постоянная времени интегратора.

Во втором такте ключ переключается и на вход поступает эталонное напряжение, которое имеет полярность противоположную входному напряжению. Напряжение на выходе интегратора начинает линейно убывать по закону

. (24.11)

В некоторый момент , который фиксируется компаратором напряжения, из последнего равенства следует

=0 (24.12)

или

(24.13)

Таким образом, интервал пропорционален среднему значению входного напряжения, заполнение интервала счетными импульсами, поступающими от генератора ГТИ, позволяет найти числовой код

. (24.14)

На третьем этапе производится коррекция напряжения смещения. Для этого ключи,переводятся в нижнее положение, вход буферного усилителя замыкается на общую шину, конденсаторС заряжается через замкнутый ключ до напряжения смещения, которое после размыкания ключей вычитается из напряжения.

Важно отметить, что точность преобразования зависит только от стабильности источника эталонного напряжения , т.к. интервалформируется в схеме управления генератором ГТИ и изменение его частоты не влияет на значение кода. К достоинствам интегрирующих АЦП следует отнести их высокую помехозащищенность. Если на входной сигнал наложена гармоническая помеха, то при равенстве периода помехи интервалусреднее значение помехи к концу интервала будет равно нулю.

АЦП двухтактного интегрирования изготавливаются в виде полупроводниковых микросхем, в основном, в двух модификациях:

- схемы с последовательным или с параллельным интерфейсом для сопряжения с микропроцессорами (18 двоичных разрядов, МАХ132),

- схемы с дешифраторами для управления семисегментными индикаторами применяются в цифровых мультиметрах (5 десятичных разрядов, 572ПВ).

Из АЦП с промежуточным преобразованием в частоту особого внимания заслуживают преобразователи с импульсной обратной связью (рисунок 24.11).

АЦП с импульсной обратной связью состоит из буферного усилителя на ОУ1, интегратора на ОУ2, компаратора на ОУ3, ждущего генератора импульсов постоянной вольт-секундной площади , и элементов реализующих преобразования частоты в код: генератора импульсов постоянного периода, логического элемента «И», счетчика и регистра. Основным звеном в этой схеме является преобразователь напряжения в частоту следования импульсов (обведен штриховой линией).

Рисунок 24.11 - Структурная схема АЦП с импульсной обратной связью

Работа преобразователя иллюстрируется временной диаграммой (рисунок 24.12). Заряд конденсатора интегратора осуществляется входным напряжением, а разряд производится импульсом с постоянной вольт-секундной площадью. Если входное напряжение положительно, то импульсы генераторадолжны быть отрицательными.

Рисунок 24.12 - Диаграмма работы АЦП с импульсной обратной

связью

Напряжение на выходе интегратора линейно растет до тех пор, пока не сравняется с эталонным напряжениемна прямом входе компаратора (ОУ3). Компаратор переключается и выдает сигнал на запуск генератора постоянной вольт-секундной площади. Под действием этого напряжения амплитудой и длительностьюнапряжение на выходе интеграторауменьшается, далее процесс повторяется. В результате компаратор генерирует последовательность коротких импульсов, частота следования которых пропорциональна входному напряжению. Действительно, если учесть, что напряжения на интеграторе в процессе заряда и разряда конденсатораизменяются на одну и ту же величину ( при=const) получим

, (24.15)

далее

, (24.16)

Измерение частоты производится стандартным образом. С помощью генератора формируется интервал, который затем заполняется импульсами с частотой, в результате на выходе счетчика и регистра формируется выходной код

. (24.17)

В этой схеме функцию интегратора выполняет счетчик, а интервал интегрирования выбирают равным периоду помехи, что позволяет значительно повысить помехозащищенность преобразователя.

В последнее время в связи с широким применением АЦП в различных системах сбора и обработки информации появились новые типы АЦП. К ним относятся АЦП с сигма-дельта модулятором. По сути это название отражает два процесса интегрирования в течение малого времени и сложения результатов. Выходным сигналом такого модулятора является частота следования импульсов. Структурная схема сигма-дельта модулятора повторяет часть АЦП с импульсной обратной связью, обведенную штриховой линией.

Рисунок 24.13 - Структурная схема системы сбора данных

Современные АЦП превращаются в системы сбора данных. На рисунке 24.13 изображена структурная схема АЦП с сигма-дельта модулятором. Основу составляет Σ-Δ модулятор с цифровым фильтром. Для подключения к нескольким источникам аналоговых сигналов используется аналоговый коммутатор. Измерительный усилитель меняет свой коэффициент усиления по команде управляющей микропроцессорной системы. Система управления загружает с главного процессора блок рабочих команд. Эти команды содержат сведения какие режимы использовать, какие из входных каналов образуют дифференциальные пары, подключают и отключают источники опорного напряжения (ИОН) и тока (ИОТ). Такого типа АЦП входят в состав микроконтроллеров и составляют основу систем сбора и обработки информации.