АЦП двоичного поразрядного уравновешивания

Благодаря простоте и регулярности структуры АЦП поразряд­ного двоичного уравновешивания в интегральном исполнении пока находят более широкое применение в сравнении с АЦП других принципов действия. Поэтому при определении элементов минимизированного типажа АЦП исходное множество преобразователей может включать также АЦП двоичного уравновешивания на эле­ментной базе различного быстродействия (в таком АЦП скорость преобразования уменьшается пропорционально числу разрядов). При этом анализе необходимо учитывать метрологические характе­ристики АЦП, в частности, полный диапазон изменения измеряе­мой величины. Расширение диапазона значений измеряемых сигналов без снижения быстродействия АЦП можно осуществить параллельным кодированием масштабно преобразованных значе­ний этих сигналов. Схема такого АЦП приведена на рис. 10.5.1.

Рис. 10.5.1. Схема многопредельного АЦП двоичного

поразрядного уравновешивания

Число ступеней масштабного делителя 2 измеряемой величины выбирают в соответствии с требуемым количеством поддиапазонов (пределов) измерений исходя из того, что максимальное значе­ние регулируемой меры (ЦАП 4) равно младшему пределу изме­ряемой величины.

Компараторы 3 с выходными ключами 6 образуют каналы сравнения от первого, младшего предела (компаратор этого канала подсоединен непосредственно ко входу 1 измеряемой величины) до k-ого, наибольшего старшего предела (компаратор этого канала подсоединен к выходу оконечной ступени делителя).

По начальным сигналам блока управления 5 триггеры 7 и триг­гер 13 переключаются в положение, при котором оказываются деблокированными все ключи 6 и элементы И 8 и 9, а ЦАП 4 переключается в положение, при котором на его выходе устанавли­вается максимальное значение напряжения. Это напряжение парал­лельно сравнивается во всех компараторах с масштабно-преобра­зованными значениями измеряемой величины.

Допустим, что если напряжение на измерительном входе компа­ратора превышает напряжение на его опорном входе или равно ему, то на выходе компаратора появляется единичный сигнал. В противном случае выходной сигнал компаратора оказывается нулевым.

Если измеряемая величина не превышает установленного макси­мального значения ЦАП (т.е. не превышает первого предела изме­рений), то на выходе всех компараторов и соответствующих ключей сигналы будут нулевыми. Эти нулевые сигналы в каждой соседней паре каналов инвертируются элементами НЕ 10 и при этом на выходе каждого из элементов И 9 появляется единичный сигнал, по которому в каждом канале, начиная с (i + 1)-го (кроме первого i = 1, k), блокируется ключ.

Когда измеряемая величина в i-м канале превышает максималь­ное напряжение ЦАП, единичный сигнал компаратора этого канала передается через соответствующий элемент И 8 и ИЛИ 11 и пере­ключает подсоединенный к этому элементу триггер 7, с изменением выходного сигнала которого блокируется ключ 6 этого триггера.

Если измеряемая величина превышает опорное напряжение ком­параторов только первых р каналов, то аналогичным образом бло­кируются ключи этих р каналов и ключи каналов от р + 2-го до k го, а ключ р + 1-го канала остается деблокированным. Тем са­мым в последующем обеспечивается уравновешивание масштабно-преобразованной величины, не превышающей р + 1-го предела из­мерений.

С задержкой во времени, необходимой для выбора канала срав­нения в соответствии с требуемым пределом измерения, блок управления переключает триггер 13, изменение выходного сигнала которого приводит к блокировке всех элементов И 8, 9. Тем самым в дальнейшем, в процессе поразрядного уравновешивания, исключа­ется воздействие выходных сигналов компараторов блокированных каналов на состояния ключей 6, установленные при выборе пре­дела.

Одновременно с переключением триггера 13 блок управления устанавливает требуемое напряжение ЦАП, равное половине млад­шего поддиапазона, и начинается обычный процесс поразрядного уравновешивания измеряемой величины известным образом. Вы­ходные сигналы компаратора выбранного канала передаются в блок управления через элемент ИЛИ 12.

После завершения уравновешивания и считывания кода из реги­стра ЦАП цикл преобразования повторяется. Код масштаба преоб­разования отображается состоянием триггеров 7. Выбор предела и формирование этого кода выполняются в такте переключения АЦП в исходное состояние, т.е. практически без дополнительных затрат времени по сравнению с однопредельным АЦП.

До недавнего времени АЦП двоичного поразрядного уравнове­шивания (традиционной схемы) выпускались только в гибридном исполнении. При использовании блоков выборки/хранения их раз­рядность составляет от 12 до 14 бит, а быстродействие – от еди­ниц мегагерц до сотен килогерц соответственно. На сегодня освоено производство интегральных 14÷18 – разрядных АЦП, содержащих блок выборки/хранения.