АЦП двойного интегрирования

АЦП двойного интегрирования являются очень популярными преобразователя­ми. Они используются практически во всех цифровых вольтметрах и других порта­тивных устройствах, не требующих высокого быстродействия. АЦП данного типа выполняют косвенное преобразование входного напряжения. Сначала они преоб­разуют V_in в функцию от времени, которую затем при помощи счетчика импульсов конвертируют в цифровой код. Хотя АЦП двойного интегрирования и являются довольно медленными преобразователями, но благодаря своей простоте, невысо­кой стоимости, помехоустойчивости и сравнительно высокой разрешающей спо­собности они часто применяются в случаях, где нет быстрых изменений внешних сигналов. Рис. 5.27 поясняет принцип действия таких АЦП. Также как и ПНЧ с уравновешиванием зарядов АЦП двойного интегрирования состоят из интеграто­ра и порогового компаратора. В данном случае пороговое напряжение устанавлива­ется равным нулю (соответствующий вывод заземляется), правда, в некоторых слу­чаях оно задается равным некоторому постоянному напряжению. При помощи переключателя S, к интегратору поочередно подключается то входное, то эталон­ное напряжение. В рассматриваемой упрощенной схеме входное напряжение яв­ляется отрицательным, а эталонное — положительным. Однако при добавлении к входному сигналу постоянной составляющей при помощи дополнительного ОУ, т.е. при его смещении вдоль вертикальной оси, данная схема может работать и с биполярными сигналами. Когда выходное напряжение интегратора пересекает нулевой уровень, компаратор срабатывает и посылает сигнал в логический блок,

управляющий переключателями S₁ и S₂. Ключ S₂ используется для разряда интег­рирующего конденсатора С_in .

Рис. 5.28.Выходной сигнал АЦП двойного интегрирования

В начале преобразований, когда на вход «старт» приходит разрешающий сиг­нал, ключ S₁ подает на интегратор входное напряжение, и блок управления запус­кает таймер, установленный на фиксированный интервал времени Т, в течение ко­торого напряжение на выходе интефатора линейно возрастает (рис. 5.28). Любые изменения входного сигнала в процессе интефирования усредняются. По истече­ние времени ^напряжение на выходе интефатора становится равным следующему значению:

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

где-среднее значение входного сигнала за промежуток времени Т. В этот мо­мент ключ S₁ подключает на вход интегратора эталонное напряжение, имеющее противоположную входному сигналу полярность. Наступает фаза интегрирова­ния эталонного напряжения, в течение которой выходное напряжение интеграто­ра линейно уменьшается до нуля со скоростью:

Во время интегрирования эталонного напряжения счетчик считает импульсы, поступающие от тактирующего устройства. Счет прекращается в момент, когда напряжение интегратора становится равным нулю. По сигналу компаратора, фиксирующего переход нулевого уровня, блок управления переключает ключ S₂, разряжающий конденсатор С_in. Заряд на конденсаторе, полученный в тече­ние интегрирования входного сигнала, точно равен заряду, потерянному за вре­мя интегрирования эталонного напряжения. Поэтому справедливо следующее соотношение:

из которого выводится выражение:

Следовательно, отношение среднего входного и эталонного напряжений можно заменить на отношение двух временных интервалов. Далее счетчик выполняет сле­дующую процедуру: он конвертирует временной интервал Δt в цифровой код, оп­ределяя количество тактовых импульсов, поступающих в течение данного проме­жутка времени. Посчитанное количество импульсов и будет соответствовать сред­нему входному напряжению. Необходимо помнить, V_ref Г должны быть постоян­ными величинами.

АЦП двойного интегрирования имеет такие же преимущества, что и ПНЧ с уравновешиванием зарядов:

• Они оба подавляют шумы с частотой 1/Т. Следует отметить, что при Т= 200 мс происходит подавление как 50-ти, так и 60-ти герцовых помех, что защищает АЦП от сетевых наводок.

• Точность преобразования в обоих преобразователях не зависит от стабильнос­ти тактовой частоты, поскольку одно и то же тактирующее устройство задает интервал счета T и вырабатывает счетные импульсы.

5.4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 207

• Разрешающая способность преобразователей ограничивается только их раз­рядностью. Поэтому для представления сигнала иногда используется большее количество разрядов, чем это требуется для обеспечения заданного уровня точности.

• Интегрирование входного напряжения обеспечивает подавление высокочастот­ных помех и усреднение всех выбросов сигнала в течение заданного интервала Т.

• Пропускная способность АЦП двойного интегрирования ограничивается ве­личиной, равной 1/2 Т преобразований в секунду.

Иногда для уменьшения погрешностей, вносимых аналоговой частью схемы (ин­тегратором и компаратором), вводят еще одну стадию преобразований, во время кото­рой конденсатор заряжается сигналом дрейфа нуля. Для компенсации этого явления полученное при этом значение напряжения вычитается при интегрировании входного сигнала. Существует еще один способ уменьшения статической погрешности, заклю­чающийся в запоминании результатов счета, полученных на стадии заряда конденса­тора сигналом дрейфа нуля, с последующим их вычитанием цифровыми методами.

АЦП двойного интегрирования часто дополняются аналоговыми компонен­тами (ОУ, ключами, резисторами и конденсаторами) и микроконтроллером, уп­равляющим тактирующим устройством, логическим блоком и счетчиком. Иног­да аналоговая часть такого АЦП выполняется в виде отдельной ИС. Примером этого может служить модуль TS500 фирмы Texas Instruments.

Поиск по сайту: