62

лется вокруг среднего положения с точностью до ЕМР, как это имеет место в любой дискретной следящей системе. Если в состоянии динамического равновесия Uвx(t) начинает изменяться, то выходной код АЦП отслеживает его с погрешностью, равной ЕМР, при условии, что за период счетных импульсов

∆tсч входной сигнал изменится не более чем на значение шага квантования ∆U, т. е. uвх' (t) ∆tсч ≤ ∆u

3.4.2. Последовательные АЦП с двоично-взвешенным приближением.

Структурная схема последовательного АЦП с двоично-взвешенным приближением представлена на рис. 3.8.

При получении команды на выполнение преобразование (приход импульса запуска) регистр последовательных приближений РПП по следующему за ним фронту тактового импульса от генератора G устанавливает логическую «1» на входе старшего (n-1)–го разряда ЦАП и логические «0» на входах всех остальных разрядов. Далее компара-

2)-ом разряде ЦАП. В зависимости от результата сравнения напряжений Uвх и Uцап компаратором по фронту следующего тактового импульса фиксируется значение разряда (n-2), а логическая «1» появляется на входе (n-3) разряда ЦАП. Затем вновь повторится описанный выше алгоритм работы блоков АЦП и так далее до 0-ого разаряда. После n тактов сравнения (по прошествии n тактовых импульсов генератора G от момента начала импульса запуска) на входе ЦАП получается n-разрядный двоичный код, который является цифровым эквивалентом входного аналогового сигнала.

Более подробная схема АЦП с дво- ично-взвешенным приближением представлена на рис 3.9. Поясним ее работу.

говый регистр RG записывается код 100…000 (все нули, «1» в самом старшем разряде). Вслед за импульсом запуска (в первом такте работы АЦП) компаратор сравнивает Uвх с эталонным напряжением Uэ(n-1), подаваемым с ЦАП и соответствующим единице его старшего разряда.

63

В следующем такте работы (по фронту тактового импульса, следующего за импульсом запуска) логическая «1» появится в разряде c номером n сдвигового регистра RG. Одновременно по этому же тактовому импульсу происходит фиксация триггера старшего разряда в верном состоянии c помощью схемы И(n-1) и установка в единичное состояние следующего по старшинству триггера Тг(n-2). Происходит это следующим образом:

Если Uвх > Uэ(n-1), то на выходе компаратора отсутствует импульс и в старшем разряде ЦАП (в триггере Tг(n-1)) сохранится 1; если же Uвх < Uэ(n-1) то компаратор выдает импульс, который, пройдя через схему И(n-1), устанавливает триггер Тг(n-1) в состояние 0. Одновременно происходит установка в «1» триггера Тг(n-2), что обеспечит подачу эталонного напряжения Uэ(п-2) с ЦАП на компаратор. Аналогично выполняются и все остальные такты работы АЦП. На (n+1) такте логическая единица сдвигается в самый младший (0-ой) разряд регистра RG, прекращая тем самым поступление тактовых импульсов на его синхровход, и фиксируя таким образом состояние триггеров до поступления следующего импульса запуска. По сути дела, 0-ой разряд сдвигового регистра является выводом для сигнала «Конец преобразования». Таким образом, за n тактов осуществляется уравновешивание преобразуемого напряжения Uвх суммой эталонных напряжений, снимаемых с ЦАП:

n−1

U вх = ∑aiU эi .

i=0

Следует отметить, что рассмотренный АЦП, легко позволяет получить последовательный цифровой код преобразуемого аналогового значения со скоростью, соответствующей тактовой частоте работы микросхемы. Так, например, в схеме рис. 3.9 проинвертированный последовательный код присутствует на выходе компаратора К.

По сравнению с АЦП единичного приближения рассматриваемый преобразователь осуществляет преобразование за n шагов вместо 2n-1 и, таким образом, позволяет получить существенный выигрыш в быстродействии, который, например, при n=10 достигает двух порядков. Очевидно, статическая погрешность и быстродействие такого преобразователя определяются в основном параметрами ЦАП и компаратора (порогом чувствительности, быстродействием). При преобразовании быстроменяющихся сигналов данные АЦП работают совместно с УВХ.

Данные схемы АЦП широко распространены благодаря возможности построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразователей сравнительно высокого быстродействия (время преобразования порядка нескольких сотен наносекунд). На основе этого метода серийно выпускаются ИМС:

12-разрядного АЦП К572ПВ1 (tпр=170 мкс), 8-разрядного АЦП К572ПВ3 (tпр=7,5 мкс),

система сбора данных на основе 8-разрядного АЦП К572ПВ4 (tпр=32 мкс), 10-разрядного АЦП К1108ПВ1 (tпр=0,9 мкс),

12-разрядного АЦП К1108ПВ2 (tпр=2 мкс), 10-разрядного АЦП К1113ПВ1 (tпр=30 мкс).

65

Сигнал запуска по длительности равный фиксированному временному интервалу Tф, поступает на ключ Кл, при замыкании которого на вход интегратора подается преобразуемое напряжение Uвх. Одновременно импульс запуска поступает на вход элемента «И», что обеспечивает пропускание импульсов одновибратора G на счетчик. После прихода импульса запуска, напряжение на выходе интегратора Uинт начинает линейно возрастать до тех пор, пока не достигнет значения опорного напряжения схемы сравнения (на схеме нулевого). При Uинт>0 компаратор сработает и своим выходным сигналом воздействует на одновибратор G, с выхода которого на второй вход интегратора поступит импульс, имеющий

постоянную длительность τ и поcтоянную амплитуду Uэ с полярностью, обратной полярности Uвx. Значение Uэ выбирается таким, чтобы всегда выполнялось условие Uэ/R2>Uвх/R1. Поэтому сразу после подачи импульса одновибратора G напряжение Uинт начнет уменьшаться в течение всей длительности

импульса τ. После окончания импульса напряжение Uинт вновь начнет расти, т.е. цикл интегрирования повторится. В установившемся режиме суммарное приращение напряжения на выходе интегратора за единичный цикл интегрирования Тинт равно нулю, т. е.

Из (3.9) видно, что показания счетчика будут пропорциональны входному напряжению при постоянных значениях сопротивлений резисторов R1 и R2 и постоянных параметрах импульсов одновибра-

тора τ и Uэ. Заметим, что оба слагаемых в (3.8) являются определенными интегралами, измеряемыми в вольт-секундах, умноженными на коэффициенты передачи интегратора по соответствующему входу. Отсюда следует, что каждый сформированный одновибратором импульс по площади, выраженной в вольт-секундах, равен площади входного напряжения за время Tинт, выраженной также в вольтсекундах и умноженной на постоянный коэффициент R2/R1. Именно это свойство позволяет использовать АЦП такого типа в качестве аналого-цифрового интегратора, причем не только постоянных, но и изменяющихся сигналов.

Так как в данном АЦП происходит интегрирование входного сигнала, то помехи, содержащиеся во входном сигнале, уменьшаются, как и в других типах интегрирующих АЦП. Для лучшего подавления помех, поступающих по цепям питания длительность Тф целесообразно брать равной периоду питающего напряжения.

3.4.5. Преобразователи напряжение частота. Сигма-дельта преобразователи

Схема такого преобразователя аналогична схеме АЦП с промежуточным преобразованием напряжения в частоту, при этом на выход непосредственно (минуя счетчик) поступают импульсы с частотой пропорциональной входному напряжению (см. рис. 3.12, а). При этом токи I1=Uвх/R1 и I2=UG/R2 должны иметь различные знаки для обеспечения циклического заряда – разряда конденсатора интегратора C. По такой структурной схеме строится серийно выпускаемая ИМС ПНЧ–ПЧН К1108ПП1. Выходные импульсы данной ИМС имеют прямоугольную форму с калиброванной длительностью частотой до 500 кГц. АЦП такого типа удобен и недорог, особенно в тех случаях, когда приходится передавать сигнал по кабелю, что требует частотный, а не кодовый выход.

Назначение и нумерация выводов микросхемы:

1 – инвертирующий вход;

4 – напряжение источника питания Ucc1,

5 – емкость одновибратора;

7 – частотный выход;

10 – выход КН

11– общий;

12– напряжение источника питания Ucc2;

13– аналоговый выход;

14– неинвертирующий вход;

2, 3, 6, 8, 9 – незадействованные выводы.

АЦП К1108ПП1 и основная схема включения.