АЦП с преобразованием измеряемой величины в

кодируемый временной интервал

В рассматриваемых АЦП измеряемая величина представляется различными ви­дами модуляции (широтно-, частотно-, фазо-импульсной) или двой­ным интегрированием преобразуется в эквивалентный временной интервал (ВИ), который в этих АЦП кодируется счетно-импуль­сным методом. Преимуществом таких АЦП явля­ется простота схемной реализации, а недостатком – ограниченное быстродействие. Для удержания в допустимых пределах погреш­ности квантования по уровню с увеличением частоты преобразова­ния необходимо увеличивать частоту счетных импульсов, исполь­зуемых для кодирования формируемого ВИ. Так, например, при длительности ВИ, равной 2 мкс, и допустимой погрешности кван­тования по уровню 0,1% частота счетных импульсов должна быть не менее 500 МГц, хотя частота аналого-цифрового преобразования не превысит в этом случае 500 кГц. Однако увеличивать частоту счетных импульсов можно лишь до определенного предела, ограни­чиваемого конечной длительностью этих импульсов и частотным разрешением счетчика.

При использовании для преобразования широтно-импульсной модуляции измеряемая величина сравнивается с опорным линейно изменяющимся напряжением. Временной интервал, формируемый от момента начала сравнения до момента уравновешивания (эти моменты времени фиксируются компараторами), при постоянстве крутизны опорного напряжения пропорционален значению измеряе­мой величины.

Широкое распространение в ИИС получили интегрирующие АЦП. Характерным для них является высокая точность (погрешность составляет сотые и тысячные доли процента). Она достига­ется усреднением отсчетов, подавлением помех и автоматической коррекцией нелинейности характеристики. Практический пример схемы АЦП с двойным интегрированием приведен на рис. 10.4.1. В первом такте за опорный ВИ Т_оп интегрируется измеряемое напряжение U_x (интегриро­вание «вверх»), и на выходе интегратора фиксируется напряжение:

Рис. 10.4.1. Схема интегрирующего АЦП

Интервал Т_оп образуется текущим тактовым импульсом запуска и сигналом переполнения счетчика Сч. С появлением тактового импульса переключатель П ко входу интегратора подключает измеря­емое напряжение, а ключ Кл в цепи генератора счетных импульсов ГСИ деблокируется. Импульс переполнения счетчика воздействует на переключатель, который подключает ко входу интегратора вме­сто U_х опорное напряжение U_оп, и начинается второй такт интегри­рования («вниз»). Счетчик после переполнения обнуляется и вновь начинает подсчет импульсов. В течение второго такта выходное на­пряжение интегратора уменьшается по линейному закону до нуля (момент фиксируется дискриминатором Д) в соответствии с уравнением

Формируемый во втором такте временной интервал определяется выражением Tx = U_х T_оп /U_оп ~ U_х, так как U_оп и Т_оп – постоянные величины. При этом в счетчике фиксируется цифровой эквивалент значения измеряемой величины.

Интегрирующие АЦП измеряют не мгновенное, а среднее за опорный ВИ напряжение. Они имеют повышенную помехозащи­щенность и чувствительность, близкую к теоретическому пределу. Эти АЦП используют для кодирования низкочастотных сигналов, так как их время преобразования составляет 1÷100 мс. Типовые применения таких АЦП – кодирование сигналов термопар, резистивных ПИП температуры, хроматографов, тензодатчиков, дат­чиков рН и фотоприемников. Они позволяют также воспроизво­дить ряд нелинейных функций соответствующим изменением опор­ного напряжения или постоянной времени интегратора. В настоя­щее время ряд фирм выпускает однокристальные БИС АЦП с двухтактным интегрированием. По-видимому, наивысшую точ­ность среди АЦП по схеме с традиционным двухтактным интегри­рованием обеспечивает 22-разрядная модель AD 1175 фирмы Analog Devices. Интегральная нелинейность этого АЦП относительно предела преобразования составляет 10^-6, а дифференциаль­ная нелинейность не выходит за пределы ±1/2 младшего разряда кода при 20 отсчетах в секунду.

Наличие переключателя опорного и измеряемого напряжений на входе интегратора сопряжено с необходимостью тщательной раз­вязки и взаимной изоляции их источников, поскольку иначе не до­биться высокой точность. Возможна реализация АЦП с многократным непрерывным интегрированием без использования такого переключателя. Конденсатор интегратора циклически заря­жается и разряжается алгебраической суммой двух токов: тока Ix, пропорционального измеряемому напряжению, и опорного тока Iоп. В первом цикле интегрирования (период T₁ заряда) токи скла­дываются, а во втором цикле (период T₂ разряда) I_оп вычитается из I_ч вследствие изменения направления опорного тока. В отсутст­вие измеряемого напряжения интервалы интегрирования равны, т.е. T₁ = T₂, и на выходе интегратора периодически образуется треугольное напряжение симметричной формы с частотой

Если измеряемое напряжение не равно нулю, то соотношение интервалов T₁ и T₂, пропорциональных U_х изменяется: при U_х > 0 T₁ < T₂, а при U_х < 0 T₁ > T₂. Треугольное напряжение генерирует­ся непрерывно вследствие работы схемы в режиме самовозбужде­ния под воздействием положительной обратной связи. В этом отношении АЦП напоминает самовозбуждающийся мультивибратор. Выходное напряжение интегратора сравнивается в компарато­ре с двумя порогами: верхним и нижним. Сигналы компаратора переключают триггер, управляющий источником опорного тока. При этом попеременно (в соответствии с циклом разряда или заря­да интегратора) формируется опорный ток того или иного знака, непрерывно поступающий совместно с током Ix на вход интеграто­ра. Одновременно триггер управляет счетчиком, на вход которого поступают тактовые импульсы частотой 20 МГц. В конце каждого из интервалов интегрирования содержимое счетчика переписывает­ся в выходной регистр, и начинается новый отсчет. Частью АЦП является микроконтроллер. В зависимости от требуемой разреша­ющей способности контроллер считывает и усредняет отсчеты двух или более интервалов интегрирования в обоих направлениях. Для получения разрешающей способности, соответствующей 24 разря­дам, усредняются 512 интервалов, тогда как для 16 разрядов требу­ется всего 2 интервала.

Для минимизации наводок от сети переменного тока время ин­тегрирования при заряде обычно выбирают равным или кратным периоду сетевого напряжения. В рассматриваемом АЦП это время переменное. Поэтому микроконтроллер вычитает из каждого от­счета некоторое число, чтобы нормализовать время интегрирова­ния в зависимости от частоты сетевого напряжения. При частоте в сети 50 Гц частота преобразования составляет 200 и 0,9 Гц для 16 и 24 разрядов соответственно. Интегральная нелинейность при 24 разрядах не превышает 2·10^-6.