Структуры и параметры аналого-цифровых преобразователей

Разработан ряд методов преобразования, на основе которых создано множество АЦП, отличающихся структурой, аппаратными средствами и имеющих широкую номенклатуру электрических, метрологических и эксплуатационных параметров (рис. 18.5).

Большинство методов аналого-цифрового преобразования использует процедуры последовательного формирования набора эталонных уровней напряжения (дискретных или непрерывных) и их сравнение с входным аналоговым сигналом. По принципу преобразования различают АЦП последовательного счета и сравнения.

Действие АЦП счета основано на определении числа импульсов генератора, заполняющих интервал времени, пропорциональный входному напряжению. Типичная структура АЦП счета содержит схему сравнения (компаратор), генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), триггер, генератор импульсов (ГИ) и двоичный счетчик (СТ) (рис. 18.6, а).

По команде «Пуск» на выходе Q триггера устанавливается высокий потенциал, который запирает транзистор Т и тем самым запускает ГЛИН, вырабатывающий нарастающее напряжение и, = U/Cyt (рис. 18.6, б). Одновременно на вход счетчика через схему.

Рис. 18.5. Способы аналого-цифрового преобразования.

Рис. 18.6. Структура АЦП непосредственного счета (а) и диаграммы работы (б).

совпадения поступают импульсы и_гот ГИ. При достижении равенства уровня и_л = U_x в момент 1₂ срабатывает компаратор, который переключает триггер, т. е. устанавливает на выходе Q низкий потенциал, что приводит к прекращению счета, сбросу показаний счетчика, отпиранию транзистора Т и разряду конденсатора С. При частоте /следования импульсов ГИ на выходе счетчика зафиксируется число D =fCU_x/J, пропорциональное значению входного напряжения. В качестве ГЛИН обычно используются устройства с применением процедуры интегрирования эталонного напряжения, и приборы такого типа относят к группе интегрирующих АЦП. Лучшими характеристиками обладает АЦП, работающий по принципу двухтактного интегрирования. Вначале производится интегрирование входного сигнала до уровня, определяемого по полному заполнению счетчика. На второй стадии на вход интегратора поступает эталонное отрицательное напряжение, уменьшающее его выходное напряжение до нулевого уровня, при котором срабатывает компаратор. Данный метод практически полностью устраняет зависимость результата от постоянной интегрирования и вариации частоты импульсов генератора. Интегрирование за два такта приводит к увеличению времени преобразования, т. е. снижению быстродействия.

Другой подход снижения погрешностей АЦП заключается в использовании свойств обратной связи. В АЦП сравнения эталонные уровни напряжения создаются на выходе ЦАП при подаче на его вход определенных кодовых комбинаций. При развертывающем преобразовании на вход ЦАП последовательно поступают двоичные числа, формирующие на выходе ступенчатое линейно нарастающее напряжение. Типичная структура АЦП содержит генератор импульсов (ГИ) и двоичный счетчик (СТ), формирующие последовательность кодов для ЦАП, а также устройство сравнения (компаратор), сравнивающее входное напряжение U_x с выходным сигналом ЦАП м_ц (рис. 18.7, а).

С момента подачи импульса пуска U" двоичный счетчик начинает счет и выдает последовательность двоичных чисел на ЦАП,.

Рис. 18.7. Структура развертывающего АЦП (а) и диаграммы работы (б).

на выходе которого формируется линейно нарастающее ступенчатое напряжение u_n(t) (рис. 18.7, б). В момент ?_и равенства входного U_x и ступенчатого напряжений компаратор вырабатывает импульс U_cб, прекращающий работу счетчика. В результате на входе счетчика образуется число, код которого D отражает значение входного сигнала в момент выборки.

Точность преобразования в основном определяется чувствительностью схемы сравнения (компаратора). Основным недостатком рассмотренного АЦП последовательного сравнения является большое значение времени преобразования ?_и, которое, кроме того, зависит от уровня сигнала U_x. Максимальное время преобразования «-разрядного АЦП равно t» ~ 2″ At, где At — период следования импульсов генератора.

Быстродействие АЦП последовательного действия можно повысить ускоренным формированием цифрового кода и соответствующих ему уровней напряжения. Наиболее распространены АЦП с поразрядным уравновешиванием, в основе работы которых лежит принцип последовательного сравнения измеряемой величины с половиной (U_on/2), четвертой (П_оп/4), восьмой (<7_0П/8) и другими последовательно убывающими частями эталонного напряжения.

В измерительных системах высокой точности применяются усредняющие АЦП, принцип действия которых основан на уравновешивании напряжения или тока на входе интегратора за счет сигнала обратной связи.

Типичная схема АЦП содержит сигма-дельта-модулятор, состоящий из каскадно соединенных сумматора, интегратора, компаратора, генератора импульсов и триггера, а также цифровой преобразователь с усредняющим фильтром (рис. 18.8, а).

Основными элементами сигма-дельта-модулятора, определяющими его название, являются сумматор (обозначение операции? — сигма) и интегратор (обозначение операции, А — дельта).

Принцип действия приведенного преобразователя основан на компенсации входного сигнала и_х опорным напряжением ±U_0W периодически переключателем К подаваемым на вход сумматора. Знак подаваемого опорного напряжения определяется состоянием /?5-триггера, установочный вход которого соединен с выходом компаратора, имеющего нулевой уровень срабатывания. Цикл преобразования начинается с прихода команды «Пуск», напряжение которой сбрасывает триггер в нулевое состояние, обнуляет выходное напряжение интегратора (и_А = 0) и запускает генератор, выдающий с периодом Гтактовые импульсы. Начинается процесс интегрирования входного напряжения, и за первый такт напряжение на выходе интегратора с постоянной интегрирования Г_и достигает значения и_А(Т) = и_хТ/Т_И, так как сигнал обратной связи подается с задержкой на один такт.

Построив зависимости от времени напряжений и_ъ и_А, и_ос, можно выявить участок T 11 Г с совпадающими начальным и конечным значениями, который далее повторяется с периодом Т_п (рис. 18.8, б). Усреднение компенсирующего напряжения u_iyc за период цикла Т_п дает значение входного сигнала.

Рис. 18.8. Структура сигма-дельта-АЦП (а) и диаграммы работы (б).

Цифровой преобразователь должен выделить фиксированный цикл преобразования и перевести последовательность импульсов с выхода триггера в позиционный двоичный код. Обычно используется усреднение результатов за достаточно длительный интервал времени цифровым фильтром нижних частот высокого порядка. Применение ЦП с конечной длительностью импульсной характеристики приводит к возникновению переходных процессов при изменении входного сигнала, что снижает быстродействие АЦП.

Приведенный принцип преобразования может быть реализован на базе коммутируемого конденсатора, периодически подключаемого к источнику стабильного эталонного напряжения с последующим разрядом на суммирующую точку. Интегратор также реализуется на основе переключаемых конденсаторов. При этом АЦП полностью выполняется, но МОП-технологии и на кристалле вместе с сигма-дельта-преобразователем расположены цифровой ФНЧ, программно-управляемый усилитель и устройство управления. Такие АЦП обладают развитой цифровой частью, включающей микроконтроллер, что дает возможность реализовать режимы автоматической установки нуля, калибровки полной шкалы, управления входным усилителем и фильтром.

Преобразователь обеспечивает хорошую линейность выходной характеристики и высокую разрешающую способность благодаря небольшому уровню входного сигнала интегратора. Усреднение результатов измерения на достаточно большом интервале времени существенно снижает влияние случайных помех.

Высоким быстродействием характеризуются параллельные, или считывающие, АЦП, принцип действия которых базируется на непосредственном преобразовании входного напряжения в цифровой код на выходе. Структура параллельного АЦП содержит блок этатонных напряжений или токов, набор компараторов и шифратор, г. е. устройство кодирования (рис. 18.9).

Процедура преобразования содержит только две операции: сравнение напряжений и преобразование кода. Время преобразования складывается из интервалов срабатывания компаратора и шифратора. При высокой разрядности п большое число компараторов N= 2″, позволяющее обеспечить одновременное сравнение со всеми эталонами, приводит к существенному потреблению энергии.

Рис. 18.9. Структура параллельного АЦП.

Разработка и выпуск недорогих микропроцессоров внесли коррективы в принципы построения АЦП, в которых функции управляющего устройства практически полностью перешли к микропроцессору, что позволило существенно улучшить гибкость системы управления и непосредственно реализовать различные виды АЦП.

В составе простых измерительных блоков нашли применение АЦП с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) (рис. 18.10, а).

Рис. 18.10. Структуры АЦП на микропроцессоре с ШИМ (а) и развертывающего преобразования (б).

Запуск модулятора и подсчет числа импульсов на выходе схемы совпадения осуществляет непосредственно микропроцессор. Длительность импульса, открывающего схему совпадения И, пропорциональна входному сигналу U_x, и число синхроимпульсов с, прошедших на вход МП, отражает значение преобразуемого напряжения. Погрешность преобразования определяется характеристикой модулятора и стабильностью частоты тактовых импульсов.

Применение ЦАП на входе микропроцессора позволяет достаточно просто и эффективно реализовать АЦП развертывающего преобразования (рис. 18.10, б). Процедуру преобразования можно задавать программным способом. АЦП такого типа обычно применяются в высокоскоростных системах преобразования сигналов. Точность преобразования определяется параметрами ЦАП и может быть достаточно высокой.