Принципы построения АЦП

Выделяют три различных метода аналого-цифрового преобразования: параллельный, весовой и числовой. В параллельных АЦПвходной сигнал подается сразу на ряд параллельно включенных компараторов. На рис5.2. показана реализация параллельного способа для 3-разрядного числа. С помощью трех разрядов можно представить восемь различных чисел, включая ноль. Необходимо, следовательно, семь соответствующих компараторов. Семь соответствующих напряжений, отличающихся друг от друга на величину шага квантования U_Δ, образуются с помощью делителя опорного напряжения. Напряжение U_Δ равно Е₀/7. Если входное напряжение Uвх находится в пределах от 5/2 U_Δ до 7/2 U_Δ, то компараторы 1, 2, 3 устанавливаются в состояние «1», а с 4-го по 7-й – в состояние «0». С помощью приоритетного шифратора число 3 преобразуется в числовой двоичный код 011.

Однако приоритетный шифратор нельзя подсоединять непосредственно к выходам компараторов. Если в течение времени преобразования Uвх изменится, может быть получен ошибочный результат. Например, при повышении Uвх вслед за компаратором 3 срабатывает компаратор 4. В двоичном коде это соответствует переходу от 011 к 100. При этом старший разряд вследствие меньшего времени задержки может изменить свое состояние раньше других разрядов, поэтому на выходе временно возникнет число 111, т. е. семь. Величина ошибки составит половину измеряемой величины, а ошибочное число может быть записано в запоминающее устройство.

Этот недостаток устраняется включением после каждого компаратора схемы запоминания аналоговой величины, в качестве которой используются Д-триггеры, срабатывающие по фронту. Поскольку изменение состояния триггеров происходит по фронту тактирующего импульса (сигнала синхронизации), то тем самым обеспечивается стационарное состояние на входе приоритетного шифратора.

Рис. 5.2. Структурная схема 3-разрядного параллельного АЦП

Благодаря параллельной работе каскадов этот способ АЦ-преобразования является самым быстродействующим. При использовании технологии ЭСЛ, такие АЦП могут обрабатывать сигналы с частотой до 100 МГц.

Функциональная схема АЦП, реализующего весовой метод, приведена на рис. 5.3. Основными узлами АЦП являются логическое устройство управления, например, микроконтроллер, память, цифро-аналоговый преобразователь и компаратор.

Рис. 5.3. Функциональная схема АЦП, реализующего весовой метод

Схема работает следующим образом. Перед началом измерения устройство управления стирает из памяти всю информацию. Непосредственно за этим в старшем разряде памяти устанавливается «1», т. е. S₇ = 1. Благодаря этому напряжение на выходе ЦАП составляет:

. (5.2)

Это половина возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если U_ВХ > U(S), то на выходе компаратора устанавливается сигнал К = 1, устройство управления подтверждает S₇ = 1. Если U_ВХ < U(S), то К = 0 и устройство управления устанавливает S₇ = 0. Непосредственно за этим остаток, равный U_ВХ − S₇ · 2⁷· U_Δ, таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т. д. После восьми подобных выравнивающих шагов в память записывается двоичное число S, из которого после ЦА-преобразования получается напряжение, соответствующее U_ВХ. = S· U_Δ , следовательно:

S = U_ВХ / U_Δ. (5.3)

Вследствие того, что результат получается в процессе ряда шагов, величина которых с каждым шагом уменьшается в 2 раза, этот метод также называется методом последовательных приближений.

При числовом методе подсчитывается число суммирований U_Δ, необходимое для получения напряжения, равного U_ВХ.. Поскольку для получения результата с высокой точностью U_Δ мало, то время суммирования оказывается больше, чем при других методах. Обычно оно составляет 1…100 мс. Для многих применений этого вполне достаточно, поэтому данный метод находит широкое применение. Достоинством данного метода являются малые аппаратурные затраты. Имеется ряд разновидностей реализации данного метода.

Наиболее простым является АЦП компенсационного типа (рис. 11.4), основными узлами которого являются ЦАП и реверсивный счетчик. Роль памяти здесь выполняет реверсивный счетчик; при этом существенно упрощается устройство управления по сравнению с таковым для весового метода. С помощью вычитателя, роль которого выполняет операционный усилитель, входное напряжение сравнивается с компенсирующим напряжением U(S).

При U_ВХ. − U(S) > 0 счетчик работает в режиме суммирования, при U_ВХ. − U(S) < 0 – в режиме вычитания. Если |U_ВХ. − U(S)| < ½ U_Δ , то счетчик останавливается. В процессе работы компенсирующее напряжение всегда отслеживает U_ВХ.. Поэтому АЦП компенсационного типа называют еще отслеживающими АЦП.

Рис. 5.4. АЦП компенсационного типа. Схема структурная

Упрощение устройства управления достигается ценой существенного снижения скорости преобразования, т. к. компенсирующее напряжение U(S) изменяется малыми по величине ступеньками U_Δ. Когда U_ВХ. изменяется медленно, можно получить малое время преобразования, т. к. благодаря свойству отслеживания аппроксимация носит непрерывный характер, а не начинается каждый раз с нуля, как при весовом методе.

В АЦП, построенных по принципу двойного интегрирования, вначале в течение фиксированного момента времени интегрируется напряжение U_ВХ., в результате чего напряжение на выходе интегратора (на емкости С) достигает значения U_C. Затем емкость С разряжается с постоянной, заранее известной скоростью до нуля. Время разряда пропорционально величине U_C , а следовательно, и U_ВХ..

Идея метода иллюстрируется на рис. 5.5. В исходном состоянии ключи S₁и S₂ разомкнуты, а S₃ – замкнут, выходное напряжение равно нулю (режим «Установка нуля»). Когда начинается измерение, ключ S₃размыкается, S₁ – замыкается. При этом в течение фиксированного отрезка времени t₁производится интегрирование U_ВХ...

В качестве таймера используется счетчик времени интегрирования:

(5.4)

где T – период импульсов генератора тактовых импульсов.

К моменту окончания интегрирования t₁ выходное напряжение интегратора составит:

(5.5)

Рис. 5.5. Функциональная схема АЦП на основе принципа двойного интегрирования

После окончания измерения для определения числового значения U_вх ключ S₁ размыкается и через ключ S₂ подключается известное напряжение Е₀, по знаку противоположное U_вх. При этом U_С уменьшается с постоянной заранее известной скоростью. С помощью компаратора и счетчика результата определяется интервал времени, по окончании которого выходное напряжение становится равным 0.

.

Отсюда находим:

(5.6)

Поскольку а следовательно, и фиксированы, напряжение E₀ также постоянно, то пропорционально

Из полученных выражений следует, что ни тактовая частота , ни постоянная интегрирования не влияют на результат. Необходимо лишь, чтобы тактовая частота оставалась постоянной в течение времени . Это можно обеспечить при использовании даже простого тактового генератора. При помощи данного метода можно получить точность до 0,01%.

Поскольку в окончательный результат входят не мгновенные, значения , а усредненные за время измерения , то переменное напряжение ослабляется тем сильнее, чем выше его частота. Целесообразно выбрать частоту тактового генератора такой, чтобы величина либо равнялась периоду колебаний напряжения питающей сети, либо была кратна ему. В этом случае уничтожаются все сетевые наводки.

Так как с помощью принципа двойного интегрирования простыми средствами можно обеспечить высокую точность и подавление помех, его предпочитают использовать в цифровых вольтметрах. Недостаток – большое время преобразования не препятствует такому использованию.