4.2.3 Ацп с косвенным преобразованием.

Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи.

В АЦП с промежуточным (косвенным) преобразованием измеряемое напряжение на первом этапе трансформируется в некоторую промежуточную величину – интервал времени, частоту и т.п., параметры которой измеряются и представляются в цифровой форме.

АЦП с непосредственным преобразованием осуществляют прямую трансформацию текущего значения входного сигнала в код. В реальных ситуациях вследствие воздействия различного рода помех и наводок на выходах таких устройств будут формироваться коды, соответствующие уровням сигнала и помехи , что приведет к дополнительным ошибкам преобразования не связанным с процессами дискретизации и квантования.

Одна из разновидностей таких устройств - интегрирующие АЦП, позволяет в определенной мере уменьшить влияние помех на величину измеряемого сигнала. На практике наиболее широко используются АЦП двойного или двухтактного интегрирования.

Цикл работы такого АЦП разбивается на два этапа (рис.4.95). На первом, длительностьюпроизводится интегрирование входного напряжения. К его концу на выходе интегратора формируется напряжение величиной. При неизменном входном сигнале данное соотношение будет иметь вид. На втором этапе преобразования ко входу интегратора подключается некоторое эталонное (опорное) напряжениепротивоположной по отношению ко входному полярности и также производится его интегрирование. При этом сигнал интегратора линейно уменьшается и через интервал временидостигает нулевого уровня.

Данный интервал может быть определен из соотношения . Отсюда следует, что. Зная величину интервалаи опорного напряжения и можно, измерив длительность, получить цифровой эквивалент уровня входного сигнала. Шаг квантования такого устройства определяется соотношением, где- числовое значение длительности. Эквивалентная разрядность АЦП будет равна. Она, в первом приближении, определяется лишь точностью измерения соответствующих временных интервалов.

Втаком устройстве может быть реализована эквивалентная разрядность 16 и более, трудно достижимая для АЦП прямого преобразования из-за того, что значения ЕМР становятся сравнимыми с уровнями шумов и порогами срабатывания компараторов. Так, прии,составит порядка 150 мкВ.

Эффект снижения влияния помех в интегрирующем АЦП на точность преобразования напряжения в код можно пояснить следующим образом. Пусть на аналого-цифровой преобразователь поступает входной сигнал и аддитивная синусоидальная помеха (рис. 4.96).

Тогда результат интегрирования суммы сигнала и помехи в течение времениможет быть представлен следующим образом.

Если , то результирующий вклад второго слагаемого будет нулевым и на этапе измерения сформируется код, содержащий информацию лишь о величине входного сигнала.

Вслучае сетевых наводок с частотой 50 Гц, полная компенсация влияния такой помехи происходит при, то есть когдамС и т.д.

В общем случае коэффициент передачи (ослабления) помехи может быть определен как ее среднее значение за интервал интегрирования . Отсюда следует, что при выбранном значениибудут ослабляться помехи не только с частотами, но в меньшей степени и с другими, что представлено на графике (рис. 4.97) для.

Структурная схема варианта АЦП двойного интегрирования и временные диаграммы его работы приведены на рисунках 4.98, 4.99. К началу цикла преобразования устройство управлении УУ обнуляет двоичный счетчик СЧ с модулем М, через ключ КЛ на вход интегратора подается измеряемое напряжениеи начинается первый этап интегрирования.

На счетчик начинают поступать импульсы вспомогательного генератора Г с частотой. Через интервал временипроисходит его переполнение и на выходе СЧ формируется соответствующий сигнал, поступающий на устройство управления. Оно через ключ подает на вход интегратора опорное напряжение, противоположной по отношению ко входному полярности.

Счетчик начинает новый цикл работы, в течение которого выходное напряжение интегратора уменьшается с постоянной времени (это соответствует формированию интервала). В момент времени когда оно становится равным нулю, срабатывает компаратор К и по его сигналу содержимое счетчиказаносится в устройство памяти УП. На этом процесс измерения выборки входного сигнала завершается.

Значение кода, сформированного за этот интервал времени будет равно . Так как, а, то. Таким образом, зафиксированный устройством памяти кодбудет пропорционалени соответствовать его числовому значению для шага квантования.

Особенность АЦП данной структуры в том, что измерение длительности интервала происходит одновременно с его формированием. Кроме того, частота генератора и величина постоянной времени интегрирования не влияют на процесс измерения и точность получаемого результата. Основным источником погрешности здесь является нестабильность опорного напряжения, порога срабатывания компаратора и дрейф нуля интегратора.

Для уменьшения влияния дрейфа нуля, в цикл работы АЦП двухтактного интегрирования вводится третий этап, на котором осуществляется процесс самокалибровки. На этом этапе в системе интегратор – компаратор замыкается цепь отрицательной обратной связи, а на вход интегратора подается нулевой сигнал. Специальный конденсатор заряжается до напряжения, равного суммарному смещению нуля системы и оно в противоположной полярности поступает на вход интегратора совместно с преобразуемым сигналом. Этим достигается компенсация дрейфа нуля и обеспечение высоких метрологических характеристик такого аналого-цифрового преобразователя.

АЦП двухтактного интегрирования выпускаются в интегральном исполнении – микросхема К572ПВ5. Она содержит вышеописанные узлы, схему компенсации дрейфа нуля, определения знака измеряемого напряжения и преобразователь кода для управления семисегментными жидкокристаллическими индикаторами. Разрядность АЦП составляет 3,5 десятичных разряда и он может измерять входное напряжение меняющееся от нуля до ±1,999 вольта при цене ЕМР 1 мВ, или от 0 до ±0,1999 вольта. В этом случае цена ЕМР составляет 0,1 мВ. Старший значащий десятичный разряд принимает значение 0, либо 1. Такое устройство является функционально законченным вольтметром постоянного тока. Его эквивалентную разрядность в двоичном коде можно определить, прологарифмировав по основанию 2 максимальное значение десятичного, что составит порядка одиннадцати разрядов.

Недостатком рассмотренного интегрирующего АЦП является невысокое быстродействие. Для устранения влияния сетевых помех время интегрирования должно составлять 20 мС, и таким же будет время измерения при входном сигнале близком по величине к опорному напряжению. Ускорить процесс измерения можно, вычислив значение старшего разряда выходного кода и определяя в течение второго интервала интегрирования лишь остальные.

Старший разряд будет принимать единичное значение, еслии нулевое, если. В первом случае величина входного напряжения может быть представлена в виде. При этом код входного напряжения можно получить, определив коди приписав в старший разряд единицу. Если, то потребуется измерить эту величину и приписать в старший разряд ноль.

Для реализации данного способа в состав АЦП потребуется ввести вычитающее устройство, компаратор и ключ (рис. 4.100). Компаратор К определяет знак разности , а ключ КЛ при положительном результате подает на интегратор это значение, а при отрицательном -. Такой подход позволяет сократить время измерения для(рис. 4.101).

Второй вариант ускорения процесса преобразования реализован в АЦП так называемого «быстрого интегрирования», хотя интегрирования как такового здесь не происходит.

Его структура приведена на рис. 4.102, а временные диаграммы работы – на рис. 4.103 и рис. 4.104. Процесс преобразования напряжения начинается с запоминания уровня входного сигнала на конденсаторе С. Это происходит в момент замыкания ключа Кл.1 под действием сигнала, формируемого устройством управления УУ. Далее реализуется первый этап формирования кода. Замыкаются ключи Кл.2, Кл.3 и к конденсатору подключаются генераторы разрядных токов, отношение между которыми выбирается равным. Процесс разряда длится в течение времени, за которое напряжение на конденсаторе снижается до некоторого уровня(рис. 4.104).

В момент равенства и, компаратор К1 вырабатывает сигнал, под действием которого ключ Кл3 размыкается (рис. 4.104) и разряд конденсатора продолжается лишь сравнительно малым током, Он происходит до момента, пока напряжение на конденсаторе не достигнет нулевого значения, что фиксируется компаратором К2 (рис. 4.102). При этом ключ Кл3 размыкается и начинается новый цикл преобразования.

В течение интервала времени Т1, через ключ КЛ на входы счетчиков старших и младших разрядов выходного кода СЧ1 и СЧ2 поступает последовательность импульсов с выхода генератора Г. На интервале Т2 импульсы подаются только на счетчик СЧ2. К моменту окончания цикла преобразования код СЧ1 соответствует старшим, а СЧ2 – младшим разрядам выходного кода АЦП.

Соотношения, описывающие работу АЦП данной структуры, выглядят следующим образом. Уровень входного сигнала можно представить в виде . При разряде конденсатора на первом участке суммарным токомколичество импульсов, поступивших на счетчики за время Т1 будет пропорционально его длительности и равно, где К – коэффициент преобразования, зависящий от величины токаи частоты генератора Г. Количество импульсов, которое поступит на счетчик СЧ2 на втором участке разряда. Приведя данные выражения к общим знаменателям и сложив их правые и левые части, получим,,

, где масштабный коэффициент преобразования напряжения в код, а- код, соответствующий уровню входного сигнала.

Если величина входного напряжения меньше чем, то работа счетчика СЧ1 блокируется и цикл преобразования будет равен интервалу Т2. Как и в предыдущем варианте, в данном АЦП время преобразования оказывается меньше, чем в схеме двухтактного интегрирования. Входной конденсатор и ключ КЛ1 здесь выполняют функции устройства выборки-хранения.

АЦП с преобразованием напряжение – частота.

Вкачестве узла АЦП с промежуточным преобразованием широко используются преобразователи напряжение - частота. В таком устройстве частота следования выходных импульсов пропорциональна напряжению, поступающему на вход, где- коэффициент преобразования. Измерив значение частоты, можно пересчитать его в значение напряжения.

Простейший вариант преобразователя напряжение - частота имеет следующую структуру (рис. 4.105), а временные диаграммы его работы приведены на рис. 4.106.

Выходное напряжение интегратора описывается соотношением, где τ – постоянная времени интегрирования. При условии, что в начальный момент времени напряжение интегратора равно нулю и на этапе интегрирования входной сигнал остается неизменным, получим. Оно достигнет уровня опорного напряжения через интервал времени. При этом сработает компаратор, под действием выходного сигнала которого ключ К замкнет интегрирующий конденсатор и через время вернет схему в исходное состояние. Далее процесс интегрирования входного сигнала продолжится.

Этот процесс будет периодически повторяться и на выходе преобразователя сформируется последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования .

Втаком устройстве имеется методическая погрешность, обусловленная конечным временемвосстановления исходного состояния интегратора. Ее наличие приводит к нелинейности характеристики преобразования, которая снижается при уменьшении отношения.

Используя способ двухтактного интегрирования, реализованный в устройстве, представленном на рис. 4.107, погрешность преобразования можно значительно снизить. Временные диаграммы работы такого преобразователя напряжение – частота приведены на рис. 4.108.

На первом этапе ключ Кл.1 подает на вход интегратора входной сигнал положительной полярности, а через Кл.2 к нижнему входу компаратора К подключается опорное напряжение. В момент равенства (через интервал времени) линейно возрастающего (при) напряжения интегратора и, срабатывает компаратор. Он подключает к интегратору входное напряжение отрицательной полярности, формируемое инвертором И, а ко входу компаратора нулевой сигнал. Начинается второй такт интегрирования, в течение которого выходное напряжение интегратора линейно уменьшается со скоростью определяемой величиной. Через времяоно достигнет нулевого уровня и цикл работы устройства повторится.

При неизменном значении входного напряжения , а частота следования сигналов с выхода компаратора будет равна. Здесь методическая погрешность в основном определяется скоростью срабатывания ключей и компаратора.

В интегральном исполнении промышленностью выпускается преобразователь напряжение-частота (микросхема К1108ПП1). Он может выполнять как функцию преобразования напряжения в частоту, так и обратную. Такие преобразователи находят широкое применение в качестве генераторов управляемых напряжением.

Вариант структуры АЦП с преобразованием напряжения во временной интервал приведен на рис. 4.109, а временные диаграммы его работы - на рис. 4.110. Здесь входное напряжение сравнивается с периодическим пилообразным сигналом. При этом длительность импульсовформируемых устройством, будет пропорциональна уровню входного сигнала. Измерив ее, можно получить информацию о величине. Аналогичный принцип, положен в основу работы широтно-импульсных модуляторов.

Подобным образом функционируют АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением, однако там его формирование осуществляется с помощью вспомогательного цифроаналогового преобразователя и этот процесс происходит одновременно с измерением длительности соответствующего временного интервала.

Сигма-дельта АЦП.

В настоящее время широкое распространение получили сигма-дельта АЦП. Они позволяют при очень высокой линейности обеспечить эквивалентную разрядность более 24, что нереализуемо в АЦП других типов. Для уменьшения погрешности, вносимой шумами преобразования, а следовательно снижения цены единицы младшего разряда, в таких АЦП используется усреднение результатов измерений. При этом доля шума, распределенного в полосе частот, снижается пропорционально количеству тактов, за которые усредняется результат. Данные АЦП находят широкое применение в музыкальных синтезаторах и устройствах формирования звука в персональных компьютерах.

Упрощенная структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис.4.111. Его основными узлами являются: сумматор, интегратор, компаратор и ключ. Работа всех узлов синхронизируется генератором тактовых импульсов, следующих с частотой . Компаратор вырабатывает сигнал логической единицы, если в соответствующем такте выходное напряжение интегратора положительно и логического нуля в противном случае.

Временные диаграммы сигнала на входе компаратора при небольшом уровне входного напряжения выглядят как показано на рис. 4.112. Если в начале первого такта выходное напряжение интегратора положительно, то компаратор формирует единичный сигнал, который фиксируется в триггере. Под его управлением ключ замыкает вход сумматора на источник опорного напряжения отрицательной полярности. На выходе интегратора формируется линейно спадающее напряжение со скоростью изменения пропорциональной.

К началу следующего такта на выходе компаратора появляется сигнал логического нуля, который также фиксируется в триггере и вызывает изменение состояния ключа. С этого момента начинается интегрирование входного сигнала и напряжение на входе компаратора будет постепенно возрастать. Состояние компаратора в каждом такте фиксируется триггером и пока оно не изменится, на его выходе будет формироваться последовательность логических нулей (рис. 4.112).

Когда напряжение интегратора станет больше нуля, ко входу сумматора вновь подключится источник опорного напряжения и цикл повторится. При этом с выхода триггера будет сниматься последовательность сигналов логического нуля и единицы. Импульсы на вход счетчика СЧ1 будут проходить лишь в моменты, когда появляются единичные сигналы. Второй счетчик с модулем счета М формирует импульсы в моменты переполнения по которым происходит запись выходного кода СЧ1 в узел памяти УП и сброс СЧ1 в исходное состояние.

Если модуль счета СЧ2 равен 16, то за интервал измерения на его вход поступит 4 импульса, если его выбрать 1024, то количество импульсов будет примерно в 64 раза больше. Но в любом случае соотношение между числом импульсов, пришедших на вход СЧ1 и их количеством определяющим интервал измерения сохранится . Числитель этого выражения, то есть содержимое СЧ1 соответствует коду уровня входного сигнала.

Временные диаграммы для ситуации, когда входное напряжение близко к максимальному, то есть, приведены на рис. 4.113. При интегрировании входного сигнала на выходе интегратора в течение одного такта формируется достаточно высокое напряжение положительной полярности. Далее оно станет уменьшаться под действием разностного сигнала. При этом количество сформированных компаратором единичных сигналов будет больше числа нулевых. Для рассматриваемой ситуации соотношение между ними за 16 тактов окажется равным, либо.С ростом уровня входного сигнала длительность цикла спада напряжения интегратора будет возрастать и соответственно станет увеличиваться количество единиц в формируемой последовательности.

Эквивалентная разрядность такого АЦП равна разрядности счетчика СЧ2, формирующего интервал измерения и может достигать значений 20-24, что в принципе нереализуемо в обычных АЦП из-за того, что величина ЕМР при этом должна быть порядка единиц микровольт. В сигма-дельта АЦП это возможно вследствие усреднения результатов измерений, так как при этом помехи и шумы квантования в рабочей полосе частот частично компенсируются.

Время преобразования в такой системе определяется соотношением , гдеn - разрядность СЧ2, - тактовая частота. В современных дельта-сигма АЦП она достигает десятков мегагерц. Снизить времена преобразования при сохранении остальных параметров таких АЦП можно используя конвейерные способы цифровой обработки сигналов.