АЦП интегрирующего типа

В этих преобразователях с помощью интегрирования сигнала
и сравнения результата интегрирования с опорным напряжением осуществляется преобразование постоянного напряжения U(nt) в пропорциональный временной интервал, длительность которого точно определяется путем подсчета импульсов калиброванной частоты, заполняющих данный отрезок времени. Если время интегрирования выбрать равным периоду сетевой гармонической помехи, интеграл от которой за период равен нулю, то произойдет ее глубокое подавление. Усреднение за этот же период интеграла от более высокочастотных помех также проводит к их практическому исключению. Отсутствие в составе интегрирующего преобразователя ЦАП и подавление шумов позволяет реализовать очень высокую разрядность, не доступную для АЦП прямого преобразования. Естественной платой за это преимущество является снижение быстродействия.

Рассмотрим принцип действия интегрирующих АЦП на примере АЦП двойного интегрирования (рис. 7.23).

а б

Рис. 7.23. АЦП двойного интегрирования:

а – структурная схема; б – диаграммы сигналов на выходе интегратора и генератора

Схема работает в два такта. В первом на вход интегратора на время Т₀ подается измеряемое напряжение U(nt) и конденсатор С заряжается до напряжения, равного

,

где t₀ – постоянная интегрирования.

Во втором такте вход интегратора переключается на опорное напряжение , имеющее противоположный входному напряжению знак, – начинается разряд конденсатора

,

где Dt – длительность разряда. Нуль компаратора фиксирует время T_Х, полагая U¢¢_С = 0 Dt = T_Х – T₀, получим

.

С момента начала второго такта и до момента Т_Х генератор G подает на счетчик последовательность калиброванных по частоте (с известным периодом T_i) импульсов. При известном числе импульсов m легко получить окончательное соотношение

,

в котором все входящие величины имеют высокую стабильность, что обеспечивает высокую точность преобразования. Необходимость задавать значения Т₀, кратное периоду сетевой помехи, делает этот тип АЦП крайне медленным, пригодным для измерения практически только постоянных сигналов.

От этого недостатка свободны АЦП, построенные на принципе сигма-дельта-модуляции, сочетающем высокую точность АЦП двойного интегрирования с существенно большим быстродействием. Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 7.24.

Рис. 7.24. Структурная схема АЦП
на принципе сигма-дельта-модуляции

Свое название такой метод получил из-за наличия в структуре суммирующего устройства å (сигма) и нуль-компаратора, определяющего знак приращения сигнала ошибки (дельта). Модулятор, по сути, представляет собой систему с отрицательной обратной связью дискретного типа, поскольку компаратор выдает сигнал только с периодом тактирующих импульсов, следующих с периодом Т₀=1/f₀. Частота дискретизации f₀ выбирается во много раз больше частоты входного сигнала, так, чтобы в течение нескольких десятков периодов Т₀ сигнал мог считаться постоянным. Выходной сигнал компаратора (V₀ при U_D>0 и V₀ при U_D<0) и является сигналом обратной связи. За счет большого усиления по петле обратной связи (обеспечиваемого компаратором) система стремится рассогласование U_б свести к нулю: U_б= U_С(t) – U_ОС= 0. В процессе выполнения этого условия, происходящего за некоторое число периодов частоты дискретизации, на выходе компаратора генерируется определенная последовательность положительных и отрицательных импульсов. Как будет показано на примерах, анализ этих последовательностей, производимый вычислителем В, позволяет точно определить значение сигнала в некоторый момент времени U_С(t_i) и сформировать соответствующий этому значению код. Рассмотрим несколько примеров, для простоты полагая, что êV₀÷=1 В, а постоянная времени интегратора, выполняющего роль запоминающего устройства, выбрана из условия t=Т₀, так, что

.

Пусть значение сигнала за некоторый промежуток времени может считаться неизменным и равным 0,1 В. В табл. 7.1 приведены значения сигналов в характерных точках системы при ее работе.

Таблица 7.1

Из таблицы видно, что значения сигналов в 1-м и 21-м, 2-м и 22-м тактах повторяются, что свидетельствует о периодичности, генерируемой компаратором последовательности с периодом в 20 тактов. Подсчет значений U_ОС за 20 тактов (например, со 2-го по 21-й), с учетом знаков, дает значение

å U_ОС = +11 + (–9) = 2.

Разделив это число на число тактов за период, получим

.

Для U_С = 0,5 В получим следующие результаты (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Теперь периодичность составляет 4 такта, значение

å U_ОС = +3 + (–1) = 2, .

В теории дельта-сигма-модуляции показано, что для диапазона сигнала, укладывающегося в пределы ±V₀ существует наибольший период, кратный всем возможным периодам при различных значениях сигнала, так что усреднение U_ОС за этот период будет давать точное значение любого сигнала, находящегося в промежутке 0¸V₀. Таким образом, в дельта-сигма-модуляции происходит усреднение каждой временной выборки сигнала, что резко ослабляет влияние высокочастотных шумов и временные флуктуации параметров схемы. Поэтому рассмотренный принцип обладает в настоящее время максимальными потенциальными метрологическими возможностями. Серийно выпускаются дельта-сигма АЦП, имеющие погрешность от дискретности, соответствующей 24-м двоичным разрядам с нелинейностью ±0,0015 %. Естественно, что эта разрядность реализуется для сравнительно низкочастотных сигналов (£ 60 Гц). С повышением частоты разрядность резко снижается и для частоты £ 1 кГц составляет всего 12 разрядов.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие функции выполняют ЦА- и АЦ-преобразователи?

2. Перечислете основные характеристики ЦАП и АЦП.

3. Четырехразрядный ЦАП, опорное напряжение 15 В. Определите выходное напряжение, если подан код 1001.

4. Сколько различных уровней может сформировать десятиразрядный ЦАП?

5. Какие принципы АЦ-преобразования вы знаете?

6. Какие блоки входят в большинство АЦП?

8. ВВЕДЕНИЕ В МИКРОПРОЦЕССОРНУЮ ТЕХНИКУ

Преимущества цифровой обработки информации обусловили массовое применение цифровых систем управления различными объектами или процессами. Поскольку разные объекты обладают специфичной логикой управления, то, в принципе, для каждого нового объекта требуется и индивидуальная логическая схема. Разработка такой схемы в твердотельном исполнении является дорогостоящим мероприятием, экономически оправданным только при массовом выпуске однотипных изделий. Поэтому был найден более приемлемый вариант развития цифровых систем управления, когда для выполнения любой задачи используется одно и то же аппаратное ядро, а ориентация на решение конкретной задачи достигается путем составления индивидуальной программы функционирования этого ядра. Эти системы, кроме логической схемы, должны содержать элементы памяти для записи программ функционирования и исходных данных. Такие программно-управляемые цифровые средства получили название микропроцессоров. Всеобъемлющая универсальность микропроцессоров, по сути, вызвала техническую революцию: сейчас трудно назвать область техники, где бы ни применялись микропроцессорные средства управления. Выполненные на основе нескольких или даже одной микросхемы, потребляющие десятые и сотые доли ватта, эти устройства можно встроить в любой прибор и обеспечить или требуемый алгоритм функционирования (системы управления транспортными средствами, бытовыми приборами), или заданную точность измерения (коррекция нелинейности характеристики преобразования и т. п.). В силу универсальности логического ядра основной задачей при проектировании микропроцессорного устройства является составление, отладка и запись в память конкретной программы. Современные средства программирования и отладки программного обеспечения являются предметом изучения в специальных курсах. Здесь мы ограничимся рассмотрением основных элементов аппаратных средств микропроцессорных систем.