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 Vinв 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,
5.4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 205
управляющий переключателями S1 и S2. Ключ S2 используется для разряда интегрирующего конденсатора Сin .
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 Сin. 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, Vref 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.