Ацп поразрядного уравновешивания

 

Аналого-цифровой преобразователь (аналог-код) предназначен для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Схема АЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации. Ряд схем АЦП содержит в своем составе ЦАП.

Существует ряд методов аналого-цифрового преобразования: последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирования, с преобразованием напряжения в частоту, параллельного преобразования и т.д.

Наиболее часто используется метод поразрядного уравновешивания (последовательного преобразования), при этом последовательно формируются коды, начиная с цифры старшего разряда 2n-1 и завершая младшим (первым). Эти коды поступают на ЦАП, выход которого, сравнивается с входным сигналом.

 

Рис. 1.11.

Схема АЦП: РПП – регистр последовательных преобразований; ГТИ – генератор тактовых импульсов.

 

При пуске ГТИ заносит в старший разряд РПП единицу, при этом код преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с входным сигналом – U_вх. В зависимости от выхода компаратора ГТИ записывает “1” в следующий разряд, а предыдущий разряд, либо оставляется без изменения, либо обнуляется.

По мере развития и совершенствования технологии выяснилось, что в микросхемном исполнении проще делать конденсаторы, чем резисторы. К тому же отношение емкостей получается стабильнее, чем отношение сопротивлений. На рис. 1.12 показан АЦП поразрядного уравновешивания, у которого для упрощения объяснений я сделал всего лишь три двоичных разряда (в действительности такие АЦП могут содержать до 18 разрядов).

 

 

Рис. 1.12. АЦП поразрядного уравновешивания с ЦАП на конденсаторах

 

Схема АЦП содержит преобразователь кода в напряжение ПКН, устройство сравнения УС, генератор тактовых импульсов ГТИ и устройство управления УУ. В свою очередь ПКН состоит из источника опорного напряжения ИОН, двоичного набора конденсаторов 4 С (старший разряд, СР); 2 С; С (младший разряд, МР); С и переключателей SW ₁... SW ₅, причём SW ₁... SW ₃ могут находиться в положениях 1; 2 и 3, SW ₄ – в положениях 1 и 2, а SW ₅ – замкнут или разомкнут.

В крупном плане алгоритм преобразования здесь такой же, как в любом АЦП поразрядного уравновешивания, но применение коммутируемых конденсаторов вносит свою специфику в деталях. В АЦП по схеме рис. 1.12 процесс преобразования состоит из семи шагов:

1. Все ключи находятся в положениях, как на рис. 1.12. Образуется схема, показанная на рис. 1.13,а. Все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

2. Ключи SW ₁... SW ₄ переключаются в положение 2; ключ SW ₅ размыкается. К входу УС приложено напряжение u = –U (рис. 1.13,б). Поскольку u < 0, на выходе УС образуется сигнал Y = 1 (ситуация «Меньше»).

3. Ключ старшего разряда SW1 переключается в положение 3; остальные ключи остаются в прежних положениях. Образуется схема, показанная на рис. 1.13,в. Она сводится к схеме рис. 1.13 г. В соответствии с законом сохранения заряда на входе УС образуется напряжение u = –U + U₀/2.

Поскольку, т.е. u < 0, сигнал Y остаётся в состоянии «1».

4. Повторение первого шага. Снова все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

 

Рис. 1.13.

 

5. Ключи SW ₁ и SW ₂ переключаются в положение 3; ключи SW ₃ и SW ₄ – в положение 2; ключ SW ₅ размыкается. Образуется схема, показанная на рис. 1.14,а. Она сводится к схеме рис. 1.14,б.

На входе УС образуется напряжение u = –U + 6 С U₀/(6 С + 2 С) = –U + 0,75U₀.

Поскольку, теперь u > 0 и сигнал Y переходит в состояние «0» (ситуация «Больше»). Это значит, что в дальнейшем ключ SW2 больше не будет устанавливаться в положение 3.

 

Рис. 1.14

 

6. Повторение первого шага. Снова все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

7. Ключи SW ₁ и SW ₃ переключаются в положение 3; ключи SW ₂ и SW ₄ – в положение 2; ключ SW ₅ размыкается. Образуется схема, которая сводится к показанной на рис. 1.15.

На входе УС образуется напряжение u = –U + 5 С U₀/(5 С + 3 С) = –U + 5U₀/8.

Рис. 1.15.

 

Поскольку, сигнал Y переходит в состоянии «1». На этом процесс преобразования заканчивается. На выходе АЦП образовался код, содержащий «1» в тех разрядах, у которых переключение соответствующих ключей из положения 1 в положение 3 давало на выходе УС сигнал Y = 1. В рассмотренном процессе это были ключи SW1 и SW3, т.е. на выходе АЦП образовался код 101. Это двоичный код числа N = 5. При трёх двоичных разрядах квант q = U₀/8 и значение входного напряжения, определяемое по выходному коду, U > 5U₀/8.

В рассмотренных АЦП запоминание значения входного напряжения U на конденсаторах, необходимое для выполнения поразрядного уравновешивания, попутно выполняет функцию устройства выборки и хранения (УВХ), которое иногда называют также многоканальными аналоговыми запоминающими устройствами.

Частота смены выходных кодовых слов равна первой частоте режекции цифрового фильтра ƒ_р, значение которой, как было указано выше, можно программировать в диапазоне от 10 Гц до 1 кГц. Однако, при скачке входного напряжения на весь диапазон верный результат преобразования в худшем случае получается только на четвёртом кодовом слове после скачка. Это значит, что время преобразования t_пр = 4/ƒ_р, и в зависимости от значения ƒ_р оно может быть от 0,4 с до 4 мс.

Таким образом, высочайшая разрешающая способность (24 разряда) получается при сравнительно низком быстродействии (0,4 с).

 

АЦП ИНТЕГРИРУЮЩИЕ, РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, «ЧАСТОТА – КОД», «ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ – КОД»

 

Интегрирующие АЦП

 

Интегрирующие АЦП предназначены для преобразования в код медленно меняющегося напряжения с подавлением помех. С этой целью первым действием таких АЦП является интегрирование входного напряжения в течение целого количества периодов помехи. В это время на вход интегратора подается измеряемое напряжение (см. рис. 1.16). Если запуск АЦП состоялся в момент времени t₁, то момент окончания интегрирования есть t₂ = t₁ + nT, где T – период напряжения помехи.

Поскольку частота напряжения сети незначительно колеблется относительно 50 Гц, и АЦП питаются от сети, моменты начала и конца интегрирования синхронизируются от сети, и поэтому время интегрирования в точности равно целому числу периодов напряжения сети: T _инт = t₂ – t₁ = = nT.

В момент окончания интегрирования t₂ входные цепи интегратора переключаются так, чтобы на его вход вместо измеряемого напряжения U_x поступило стабилизированное напряжение U₀ с противоположным знаком (что условно показано на рис. 1.16). Начиная с этого момента, из напряжения, полученного в результате интегрирования, начинает вычитаться линейное напряжение, которое является продуктом интегрирования постоянного стабилизированного напряжения U₀. Компаратор фиксирует момент времени конца интегрирования входного напряжения t₂ и момент времени t₃, когда суммарное напряжение оказывается равным нулю. В результате интервал времени t₃ – t₂ оказывается прямо пропорциональным интегралу от входного напряжения, вычисленному за предыдущий интервал времени. Если за это время напряжение U_x, свободное от помехи, не изменялось, то этот интеграл в свою очередь прямо пропорционален измеряемому напряжению. Поэтому интервал времени t₃ – t₂ прямо пропорционален напряжению U_x, и в конечном итоге для завершения преобразования остается лишь перевести этот интервал времени в код, предусмотрев умножение на коэффициент пропорциональности. Это делается за счет подбора частоты ƒ₀, которой заполняется интервал времени t₃ – t₂.

 

 

Рис. 1.16.

 

По окончании описанных процедур устройство управления формирует сигнал, разрешающий чтение результата из выходного регистра АЦП.

Из принципа действия интегрирующего АЦП следует, что минимальное время преобразования не может быть меньше 40 мс. Предельно достижимая погрешность подобных АЦП достигает 0,001% и лучше.

Основная область применения интегрирующих АЦП – создание на их основе цифровых измерительных приборов повышенной точности.

 

АЦП развертывающего преобразования

 

АЦП развертывающего преобразования представляет собой, по сути дела, два последовательно включенных преобразователя: один преобразует напряжение в интервал времени, второй – интервал времени в код.

 

 

Рис. 1.17.

На вход компаратора подаются: входное напряжение U_x, подлежащее преобразованию, и периодическое линейно нарастающее напряжение u(t) = U_max(t – t₁ + kt_пер), t₁ ≤ t ≤ t_max, где t_max удовлетворяет условию u(t_max) = U_max, t_пер – период. Компаратор вырабатывает импульсы: импульс И ₁ – в момент t₁ начала линейного напряжения, и импульс И ₂ – в момент t₂, когда напряжение u(t) сравнивается с напряжением U_x. Таким образом, выполняется первая ступень преобразования, а именно, преобразование в интервал времени T = t₂ – t₁.

Точно на это время открывается ключ и пропускает сквозь себя импульсы стабилизированной частоты от генератора этой частоты в счетчик. В счетчике формируется код (двоичный или десятичный – в зависимости от устройства счетчика), который поступает в выходной регистр и далее через устройства интерфейса в компьютер. Поскольку длительность интервала времени прямо пропорциональна входному напряжению, количество этих импульсов равно N = Tƒ₀ = Kƒ₀U_x.

Длительность цикла преобразования АЦП развертывающего преобразования равна периоду пилообразного напряжения, а частота преобразования – частоте этого напряжения. Погрешность датирования отсчетов таких АЦП не превышает длительности цикла преобразования.

 

АЦП “частота – код”

 

АЦП подобного вида представляют собой основу для построения цифровых частотомеров, а также самостоятельных АЦП, предназначенных для ввода частоты или сигналов, модулированных по частоте, в компьютер. Принцип действия этого АЦП основан на определении частоты, как количества импульсов (или количества периодов периодического сигнала) в единицу времени,.

 

Рис. 1.18.

 

Из входного периодического сигнала (например, синусоиды, как показано на рис. 1.18) формирователь образует последовательность импульсов, частота которых равна частоте входного сигнала. Ключ открывается на определенное время, которое задается генератором стабильной частоты ƒ₀ и делителем частоты. Делитель частоты выполнен переключаемым с тем, чтобы иметь возможность изменять время измерений T_u в зависимости от измеряемой частоты и желаемой точности результата.

Счетчик накапливает прошедшие сквозь ключ импульсы в количестве N = T_u ƒ_x и тем самым формирует код, двоичный или десятичный в зависимости от его устройства. Двоичный код передается затем в выходной регистр и далее через устройства интерфейса, снабженные гальванической развязкой, – в компьютер.

Поскольку в данном АЦП измерение выполняется посредством счета импульсов, неизбежна абсолютная погрешность измерения, равная одному импульсу. Относительное значение этой погрешности равно отношению периода измеряемой частоты T_x = 1/ƒ_x к времени измерения T_u, то есть 1/(T_u ƒ_x).

Если при этом во время измерения измеряемая частота изменялась, то результатом измерения будет среднее значение частоты за это время.

Динамической характеристикой АЦП "частота–код" является время измерения. Погрешность датирования отсчетов подобных АЦП не превышает времени измерения.

АЦП “интервал времени – код”

 

АЦП данного типа применяются для преобразования в код интервала времени между двумя импульсами или длительности импульсов. В том числе подобные АЦП могут использоваться для преобразования в код периода периодического сигнала с дальнейшим вычислением частоты этого сигнала, как величины, обратной периоду. Такое преобразование занимает гораздо меньше времени, чем преобразование частоты в код. Принцип действия подобного АЦП показан на рис. 1.19.

 

 

Рис. 1.19.

 

В моменты t₂ и t₁ – начала и окончания интервала времени, подлежащего измерению, формирователь вырабатывает импульсы, которые поступают на вход триггера, открывающего ключ на время T_x = t₂ – t₁. За это время ключ пропускает на счетчик N = T_xƒ₀/k импульсов от делителя стабильной частоты, и в этом счетчике формируется код, который затем передается в выходной регистр и далее через интерфейсное сопряжение и гальваническую развязку – в компьютер.

Длительность цикла преобразования такого АЦП равна длительности измеряемого интервала времени, и погрешность датирования отсчетов ее не превышает. В этом отношении применение подобных АЦП для измерения частоты путем измерения периода предпочтительнее, чем применение АЦП "частота–код".