ATsP_TsAP

Рисунок 19 Структурная схема последовательно-параллельного АЦП

В течение первого такта осуществляется грубое квантование входного сигнала

Uвх с четырехразрядной точностью при помощи АЦП1. Результат этого квантова-

ния подается на выход в качестве старших разрядов выходного кода (24-27) и

одновременно поступает на вход 4-разрядного ЦАП. Во втором такте аналоговое напряжение, которое формируется на выходе ЦАП и отражает результат грубого квантования в первом такте, сравнивается с истинным значением входного сигнала

Uвх. Разностное напряжение, полученное на выходе вычитающего устройства ВУ,

поступает на вход второго четырехразрядного АЦП2, который в третьем такте осу-

ществляет его преобразование в четыре младших разряда выходного кода (2°-23).

Быстродействие представленного на рис. 4 8-разрядного АЦП в три раза ниже, чем то, которым обладал бы 8-разрядный параллельный АЦП. Но, если для со-

здания параллельного потребовалось бы (28 – 1) = 255 компараторов, то для по-

строения двухкаскадного последовательно-параллельного АЦП достаточно

2(24 – 1) = 30 компараторов. Если в схеме ВУ выполняется усиление разностно-

го сигнала в 16 раз, то схемы АЦП1 и АЦП2 могут быть полностью идентич-

ными.

Количество каскадов в АЦП с подобной архитектурой может быть больше двух,

поэтому их иногда называют многокаскадными.

31

АЦП двойного интегрирования

Метод аналого-цифрового преобразования с использованием двойного ин-

тегрирования сигнала и опорного напряжения является классическим и широко применяется в схемах цифровых вольтметров, измеряющих постоянное напря-

жение. Структурная схема двухкаскадного последовательно-параллельного АЦП приведена на рис. 20. Она содержит следующие элементы:

–интегратор;

–источник опорного напряжения UОП ;

–аналоговый компаратор K;

–цифровые ключи D1 и D2 ;

–переключатели аналоговых сигналов S1, S2, S3 ;

–тактовый генератор, формирующий импульсы с периодом T ;

–счетчик времени интегрирования;

–счетчик результата;

–устройство управления.

Такие преобразователи относятся к типу АЦП с время-импульсным преоб-

разованием. В них используется двухэтапный метод интегрирования. Это позво-

ляет избежать большинства сложностей, связанных с требуемой точностью и вре-

менной стабильностью параметров компараторов и конденсаторов. Основным элементом схемы АЦП является интегратор, состоящий из RC-цепочки и опе-

рационного усилителя (ОУ). Предположим, что коэффициент усиления ОУ без обратной связи достаточно большой и входной ток ОУ пренебрежимо мал, то-

гда левая обкладка конденсатора имеет практически нулевой потенциал и заряд конденсатора осуществляется током, протекающим через резистор R. Напряже-

	ние на выходе интегратора			UI определяется основе простых соотношений для
	заряда конденсатора C U q i t как
	U I 1	i(t)dt	1		u(t)dt ,
			RC
	C

32

где u(t) – напряжение на входе интегратора (на левом выводе резистора).

В этой формуле постоянная интегрирования принята равной нулю, что выпол-

няется, если конденсатор предварительно разряжен. Согласно формуле при ин-

тегрировании нулевого тока (что соответствует разрыву входной цепи) выход-

ное напряжение интегратора не изменяется. Отметим, что напряжение на выхо-

де реального интегратора с отключенным входом за счет неконтролируемых то-

ков утечки через некоторое время принимает большое неопределенное значение,

т.е. интегратор является неустойчивым схемным элементом. Простым способом преодоления этого недостатка является периодическое восстановление нулевого напряжения на выходе путем замыкания переключателя S3, предназначенного для разряда конденсатора.

Рисунок 20 Структурная схема АЦП двойного интегрирования

33

Временные диаграммы работы АЦП двойного интегрирования показаны на рис. 21. Схема АЦП работает следующим образом. Полный цикл аналого-

цифрового преобразования содержит первый этап интегрирования входного напряжения и второй этап интегрирования опорного напряжения.

Рисунок 21 Временные диаграммы работы АЦП двойного интегрирования

В исходном состоянии переключатели S1 и S2 разомкнуты, переключа-

тель S3 замкнут. Этим обеспечивается разряд конденсатора и нулевое значение выходного напряжения. Оба счетчика сброшены в нулевое состояние, цифровые ключи D1 и D2 закрыты.

В момент времени t0 в устройстве управления формируется сигнал

―Пуск‖ и начинается первый этап интегрирования. Переключатель S3 размы-

кается, переключатель S1 замыкается и подсоединяет на вход интегратора пре-

образуемое напряжение. Открывается цифровой ключ D1 и тактовые импульсы подаются на счетчик времени интегрирования. Начинается интегрирование входного сигнала и продолжается в течение интервала времени t1 = n1T , опре-

деляемого фиксированной емкостью счетчика n1. В момент времени t0+t1 со счетчика на устройство управления поступает сигнал переполнения, закрывает-

34

ся ключ D1 и размыкается аналоговый переключатель S1. Первый этап инте-

грирования заканчивается. Напряжение на выходе интегратора имеет значение

1 t0 t1

U

n T

U I

u

ВХ (t)dt

ВХ 1

,

RC

RC

t

0

где

– среднее значение входного напряжения за время интегрирова-

U ВХ

ния.

Непосредственно за первым этапом начинается второй этап интегрирова-

ния. Устройством управления открывается цифровой ключ D2 для прохожде-

ния тактовых импульсов на счетчик результата и замыканием переключателя S2

на вход интегратора подается опорное напряжение UОП . Оно имеет стабильное значение и отрицательную полярность, обратную полярности напряжению U ВХ .

Поэтому на втором этапе напряжение на выходе интегратора UI изменяется линейно по направлению к нулевому значению с постоянной скоростью. При достижении нулевого уровня срабатывает компаратор K, у которого инверти-

рующий вход соединен с точкой нулевого напряжения. По сигналу от компара-

тора в момент времени t0+t1+t2 заканчивается второй этап интегрирования. За-

крывается цифровой ключ D2 и работа счетчика результата останавливается.

Продолжительность второго этапа t2 n2T определяется значением U ВХ .

В момент окончания второго этапа интегрирования выполняется соотношение

1 t0 t1 t 2

U

n

T

U

n T

U

n T

ОП

2

U I

ВХ 1

( UОП )dt

ВХ 1

0 ,

RC

RC

RC

RC

t0 t1

U ОП

n2

.

из которого следует, что

U ВХ

n

1

Подбором элементов схемы можно добиться того, чтобы число n2 в счетчике результата равнялось входному напряжению в вольтах.

АЦП двойного интегрирования отличается от других схем тем, что поз-

воляет получить высокую точность измерения напряжения без применения прецизионных резисторов или конденсаторов; требуется, чтобы числа n1 и n2

35

были достаточно большими. Такие АЦП широко используются в малогабарит-

ных цифровых мультиметрах, где длительный цикл преобразования не является серьезным недостатком. Интегратор является низкочастотным фильтром, зави-

симость модуля коэффициента передачи интегратора от частоты гармонического сигнала показана на рис. 22. Синусоидальная составляющая входного напряже-

ния при целом числе периодов на интервале интегрирования подавляется прак-

тически полностью (рис.23). При выборе интервала времени TИ кратным пери-

оду напряжения электросети влияние наводок на точность измерений суще-

ственно снижается.

Рисунок 22 Амплитудно-частот-	Рисунок 23 Схема подавления помех при
ная характеристика интегратора	интегрировании сигнала

Рассмотренные методы не охватывают полностью все разработанные принципы построения АЦП, но позволяют получить достаточное представле-

ние о функционировании распространенных и широко применяемых устройств.

36

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руковод-

ство. / У.Титце, К.Шенк. – М.: Мир. - 1982. - 512 с.

2.Никамин, В.А. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразо-

ватели. Справочник. – СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А». – 2003. – 224 с.

3.Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устрой-

ствах. – 2-е изд., перераб и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение. -

1988. – 304 с.

4.Федорков, Б.Г. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, па-

раметры, применение. / Б.Г. Федорков, В.А. Телец. – М.: Энергоатомиздат. –

1990. – 320 с.

37