6.2.2 Развертывающие ацп

Функциональная схема развертывающих АЦП подобна рисунку 6.10. Но в данном случае производится квантование до пересечения с преобразуемым сигналом (см. рисунок 6.11), сброс в нуль, затем вновь квантование, сброс и т.д.

Рисунок 6.11

Достоинство: высокая точность (погрешность в 1квант).

Недостатки:

– отсчет производится в точках 1, 2, а что в промежутке – неизвестно;

– большое время преобразования, так как необходимо развертывать квантами;

– циклы преобразования переменные во времени;

– можно сделать постоянные циклы, но это тоже не экономично;

– точки 1, 2 соответствуют коротким интервалам времени, в течение которого нужно произвести отсчет. Для того, чтобы интервал времени между точками 1 и 2 использовался более эффективно вводят УВХ (устройство выборки хранения) наподобие эмиттерных повторителей, хранящих уровни точек 1,2 в течение интервалов времени 1 – 2.

В связи с этими недостатками в интегральных микросхемах не применяются.

6.2.3 Ацп с регистром последовательного приближения

В интегральной схемотехнике широко применяется метод последовательных приближений (поразрядного уравновешивания) с использованием регистра РПП (регистр последовательных приближений).

Сущность данного метода заключается в том, что заполняется регистр не от нуля. Первая единица вносится в старший разряд, затем – в ближайший к старшему и т. д. Следовательно, аналоговый выход соответствует не одному кванту, а старшему разряду и т. д. Т. е. регистр заполняется за время, соответствующее числу разрядов двоичного кода.

Процессы преобразования в определенной мере подобны скачкообразным на рисунке 6.11, но приближение к аналоговому сигналу происходят не “лесенкой”, т.е. начиная с младшего разряда, а скачками, вначале большими ступенями, так как заполнение регистра последовательного приближения начинается со старшего разряда кода, затем ступени уменьшаются в соответствии с “весом” разряда.

Функциональная схема, реализующая этот метод, изображена на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12 – Функциональная схема преобразования с регистром последовательного приближения

Достоинство: повышенное быстродействие, так как нет пошаговой развертки.

Недостатки:

– код отсчитывается в точках, число которых должно быть не менее, чем на порядок выше в сравнении с наивысшей частотой в спектре преобразуемого сигнала;

– в промежутках между точками отсчета информация отсутствует;

– необходимо УВХ;

– высший практический предел преобразования – 12 разрядов.

Дерево, иллюстрирующее работу АЦП с регистром последовательных приближений изображено на рисунке 6.13.

Рисунок 6.13 – Дерево аналого–цифрового преобразования

6.2.4 Ацп с двойным интегрированием

Достоинство: высокая точность преобразований (до 20 разрядов).

Недостатки:

– цикличность, но отсчет производится не в точке, а на отрезке аналоговой характеристики преобразования (это лучше в сравнении с разделом 6.2.3); между отрезками – “черный ящик”;

– невысокое быстродействие, связанное с тем, что в преобразователе затрачивается время на заряд конденсатора и разряд, на интервале которого производится преобразование (см. рисунок 6.14).

Рисунок 6.14 – Интервалы двойного интегрирования

Фрагмент принципиальной схемы АЦП с двойным интегрированием изображен на рисунке 6.15.

Рисунок 6.15 – АЦП с двойным интегрированием

Весь цикл преобразования делится на четыре подинтервала:

а) — балансировка (как у ОУ, так как в состав преобразователя входит обычный интегратор на ОУ). На этом подинтервале S2, S4 замкнуты, S1,S3 – разомкнуты;

б) — вход интегратора подключается ключом S1 к преобразуемому сигналу, S2, S3, S4 – разомкнуты;

в) — вход интегратора подключается к опорному источнику (высокостабильному, высокофильтрованному) S3 – замкнут, S1, S2,S4 – разомкнуты. На третьем интервале (второе интегрирование по рисунку 6.14) из ГТИ в счетчик, не приведенный на рисунке 6.15, записывается число импульсов, пропорциональное входному аналоговому сигналу;

г) — производится подготовка к следующему циклу преобразования.

Особенность работы схемы в том, что по горизонтальной оси времени отсчет производится в импульсах ГТИ. Так как ГТИ может быть нестабильным, то если переводить импульсы во время, оно меняется по горизонтальной оси.

Число импульсов, соответствующее интервалу б) называется базовым. Обычно его принимают равным 1000. Если, например, вследствие нестабильности, частота ГТИ возросла, то момент 1 (см. рисунок 6.14) переместится влево. Следовательно, временные интервалы первого и второго интегрирования становится меньше. В это более короткое время первого и второго интегрирования пройдет большее число импульсов, результат останется прежним – это физический смысл того, что частота ГТИ не влияет на погрешность преобразования.

На преобразуемый аналоговый сигнал влияют помехи. Для выяснения последствий такого влияния приведем рисунок 6.16.

Рисунок 6.16 — Интегрирование постоянного сигнала без помехи, а);

наложение одного полупериода помехи на постоянный входной сигнал, б);

наложение двух полупериодов помехи на постоянный входной сигнал, в);

наложение многочастотной помехи на постоянный входной сигнал, г).

1 Входной сигнал без помехи при интегрировании достигает уровня точки А (см. рисунок 6.16, а).

2 Накладываем на предыдущий график один полупериод помехи, например сетевого напряжения 50 Гц (см. рисунок 6.16,б). Видно, что результат интегрирования приходит в точку А', т. е. есть вносится погрешность.

3 На рисунке 6.16, в) накладываем два полупериода этого же сетевого напряжения. Результат интегрирования – кривая, но приходит в точку А, (так как площадь интегрирования остается той же, что и на рисунке 6.16, а) погрешности нет , несмотря на наличие помехи, поэтому рассчитывают

,

причем среди всех других помех выбирают наибольшую.

На интервале преобразования укладывается два полупериода колебаний помехи.

4 Накладываем высокочастотную помеху, интегрируется тоже не прямая, но более менее приходит в точку А, т. е. помехи фильтруются преобразователем (см. рисунок 6.16, г).

АЦП с двойным интегрированием выпускаются промышленностью в интегральном исполнении, применяются для преобразования относительно низкочастотных сигналов.