3.3.5. 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=U_вх/R₁ и I₂=U_G/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.

Еще одна разновидность схемы ПНЧ – «дельта-сигма» преобразователя представлена на рис. 3.12, б. Она применяется в тех случаях, когда выходные импульсы должны быть синхронизированы с тактовыми. В схеме импульсы тока фиксированной длительности (равной периоду тактового генератора T_G) генерируются D-триггером Т в те моменты, когда выход компаратора К имеет высокий уровень (в результате нарастания u_инт до нуля) и на синхровход триггера приходит фронт тактового импульса. Выходные импульсы такого ПНЧ образуются в результате логической операции «И» над выходным сигналом триггера и тактовыми импульсами. В результате частота выходных импульсов пропорциональна входному напряжению U_вх. При этом выходные импульсы синхронизированы с тактовыми и имеют фиксированную длительность, равную длительности тактового импульса.

О становимся более подробно на последнем типе преобразователей, учитывая их широкое распространения в серийных микросхемах АЦП.

В последние годы сигма-дельта архитектура стала очень популярна для реализации АЦП и ЦАП высокого разрешения в виде СБИС. Сейчас технология производственного процесса позволяет сделать эти ранее недоступные приборы коммерчески жизнеспособными. Благодаря освоению одномикронной КМОП геометрии, сигма-дельта преобразователи, которые сочетают на одном кристалле ИС функции АЦП, ЦАП и ЦОС, стали очень популярны.

3.3.6. Ацп двухтактного интегрирования.

Недостатком всех АЦП (за исключением АЦП на основе ПНЧ по сути являющихся интеграторами входного сигнала) является их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность, как правило, на уровне 8…10 разрядов. От этого недостатка свободны АЦП интегрирующего типа, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного сигнала за фиксированный интервал времени.

О дним из наиболее распространенных вариантов такого преобразователя является АЦП двухтактного интегрирования (рис. 3.27, а). Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом импульс запуска, воздействуя на триггер Т1, открывает ключ Кл1, после чего преобразуемый сигнал u_вх подается на вход интегратора. На один вход компаратора К подается выходное напряжение интегратора U_инт, на другой – нулевое напряжение. Так как в начальный момент времени t₁ (рис. 3.27, б) напряжение интегратора равно нулю, компаратор срабатывает и перебрасывает триггер Т3 в состояние «1», в результате чего открывается элемент И и импульсы генератора G начинают поступать на счетчик Сч. Интегрирование напряжения u_вх производится за фиксированный интервал времени

Выходное напряжение интегратора на интервале времени [t₁, t₂] изменяется по закону

Конец интервала Т фиксируется счетчиком, который в момент времени t₂ выдает импульс переполнения, поступающий на триггеры T1 и Т2. При этом ключ Кл1 закрывается, ключ Кл2 открывается и начинается второй такт работы преобразователя. На вход интегратора теперь поступает опорное напряжение U_оп имеющее обратную полярность по отношению к u_вх. Начиная с момента времени t₂ счетчик вновь заполняется импульсами с генератора импульсов G, а напряжение на выходе интегратора (см. рис. 3.27, б) уменьшается по закону

причем в момент времени t₃ U_инт становится равным нулю. Компаратор возвращается в исходное положение и по инверсному выходу перебрасывает триггеры Т2 и T3 в нулевое состояние. При этом напряжение U_oп отключается от входа интегратора, а сигнал с выхода Т3 запрещает подачу импульсов генератора G на счетчик. В результате в счетчике фиксируется числовой код

где T_x=t₃ – t₂.

С учетом (3.11) и (3.12) получаем U_вхT = U_опТ_x где (U_вх — среднее значение входного сигнала u_вx(t) на интервале времени [t₁, t₂]. Подставив в это выражение (3.10) и (3.13), находим

т. е. выходной код АЦП пропорционален входному напряжению (его среднему значению).

Интегрирование входного сигнала в рассмотренном АЦП приводит к его усреднению и сглаживанию (ослаблению) всех быстрых по сравнению с временем интегрирования Т помех, наводок и шумов.

Высокая помехоустойчивость АЦП интегрирующего типа обусловлена тем, что интеграл от синусоидального сигнала за время, равное или кратное его периоду, равен нулю:

Пусть ко входу интегратора АЦП приложено напряжение u_вх(t)=U=const.

Предположим, что помехи нет. Тогда в соответствии с (3.11) получаем

Предположим, что на полезный сигнал, поступающий на вход АЦП, наложена синусоидальная помеха, например помеха сетевой частоты: u_вх(t) = U + U_msin(t + ), где ( — фазовый сдвиг помехи относительно начала интегрирования, т. е. относительно момента времени t₁ (рис. 3.27, в).