Электроника:Цифровая электроника/Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования/Скатные (интегрирующие) АЦП

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Скатные (интегрирующие) АЦП

До сих пор нам удавалось избежать огромного количества компонентов в параллельном преобразователе только с помощью ЦАП как части нашей схемы АЦП. Однако это не единственный вариант. Можно избежать использования ЦАП, если заменить аналоговую схему линейного изменения и цифровой счётчик с точной синхронизацией.

Это основная идея так называемого односкатного (или интегрирующего) АЦП. Односкатный – то есть, с одним уклоном. Вместо ЦАП с линейно изменяющимся выходным сигналом используется схема на операционном усилителе, называемая интегратором, для генерации пилообразного сигнала, который затем сравнивается с аналоговым входом с помощью компаратора.

Время, необходимое для того, чтобы пилообразный сигнал превысил уровень напряжения входного сигнала, измеряется с помощью цифрового счётчика, синхронизированного с прямоугольным сигналом точной частоты (обычно исходящего от кварцевого генератора). Основная принципиальная схема показана здесь:

Рис. 1. Основная принципиальная схема односкатного (интегрирующего) АЦП.

Показанная здесь схема транзистора с разрядкой конденсатора IGFET (от англ. Insulated gate field effect transistor, т.е. полевой транзистор с изолированным затвором) несколько упрощена. В действительности схема фиксации, синхронизированная с тактовым сигналом, скорее всего, должна быть подключена к затвору IGFET, чтобы обеспечить полную разрядку конденсатора, когда на выходе компаратора появляется «высокий» уровень.

Основная идея, однако, очевидна на этой диаграмме (рисунок 1 выше). Когда выход компаратора «низкий» (входное напряжение больше, чем выход интегратора), интегратору разрешается заряжать конденсатор линейным образом. Тем временем счётчик ведет обратный отсчёт со скоростью, установленной точной тактовой частотой.

Время, необходимое конденсатору для зарядки до того же уровня напряжения, что и на входе, зависит от уровня входного сигнала и комбинации -V_Опорн., R и C. Когда конденсатор достигает этого уровня напряжения, выход компаратора становится «высоким», загружая выход счётчика в сдвиговый регистр для окончательного вывода.

IGFET включается «высоким» выходным сигналом компаратора, разряжая конденсатор до нуля вольт. Когда выходное напряжение интегратора падает до нуля, выход компаратора переключается обратно в «низкое» состояние, обнуляя счётчик и позволяя интегратору снова увеличить напряжение.

Эта схема АЦП очень похожа на цифровой линейный АЦП, за исключением того, что опорное напряжение компаратора представляет собой гладкую пилообразную волну, а не «ступеньки»:

Рис. 2. Выход интегрирующего АЦП – гладкая пилообразная (а не «ступенчатая») волна.

Односкатный АЦП обладает всеми недостатками цифровых пилообразных АЦП, а также дополнительным недостатком, связанным с дрейфом калибровки. Точное соответствие выхода этого АЦП с его входом зависит от того, насколько наклон волны напряжения интегратора согласуется со скоростью счёта (тактовой частотой).

При использовании АЦП с цифровым линейным изменением тактовая частота не влияла на точность преобразования, а только на время обновления. В этой схеме, поскольку скорость интегрирования и скорость счёта не зависят друг от друга, разница между ними неизбежна, ошибки накапливаются со временем, что приведёт к заметной потере точности.

Единственный плюс этой схемы – в ней не используется ЦАП, что снижает её сложность.

Двухскатной преобразователь

Ответ на эту дилемму дрейфа калибровки можно найти в варианте конструкции, называемом преобразователем с двойным наклоном (двухскатном преобразователе). В преобразователе с двойным наклоном схема интегратора управляется положительными и отрицательными периодами в чередующихся циклах для замедления и затем увеличения, а не сбрасывается до 0 вольт в конце каждого цикла.

В одном направлении линейного изменения интегратор управляется положительным аналоговым входным сигналом (вырабатывающим отрицательную переменную скорость изменения выходного напряжения или выходной наклон) в течение фиксированного периода времени, измеряемого счётчиком с точным тактовым генератором частоты. Затем, в другом направлении, при фиксированном эталонном напряжении (обеспечивающем фиксированную скорость изменения выходного напряжения) со временем, измеряемым тем же счётчиком. Счётчик прекращает считать, когда выход интегратора достигает того же напряжения, что и в начале фиксированной части цикла. Количество времени, которое требуется конденсатору интегратора для разрядки обратно до исходного выходного напряжения, измеряемое величиной, накопленной счётчиком, становится цифровым выходом схемы АЦП.

Метод двойного наклона можно рассматривать аналогично с точки зрения вращающейся пружины, вроде той, что используется в механизме механических часов. Представьте, что мы строим механизм для измерения скорости вращения вала.

Таким образом, скорость вращения вала является нашим «входным сигналом», который измеряется этим устройством. Цикл измерения начинается с пружины в расслабленном состоянии. Затем пружина проворачивается или «заводится» вращающимся валом (входной сигнал) в течение фиксированного времени. Это приводит к определённому натяжению пружины, пропорциональному скорости вала: бо́льшая скорость вала соответствует более высокой скорости намотки и большему натяжению пружины, накопленному за этот период времени.

После этого пружину отсоединяют от вала и позволяют раскручиваться с фиксированной скоростью, время её раскручивания обратно в расслабленное состояние измеряется таймером. Количество времени, требуемое пружине для разматывания с этой фиксированной скоростью, будет прямо пропорционально скорости, с которой она была намотана (это величина входного сигнала) в течение фиксированной части цикла.

Этот метод аналого-цифрового преобразования позволяет избежать проблемы дрейфа калибровки односкатного АЦП, поскольку как коэффициент интегрирования интегратора (или «усиление»), так и скорость счётчика действуют в течение всей «намотки» и «размотки», это части общего цикла. Если бы тактовая частота счётчика внезапно увеличилась, это сократило бы фиксированный период времени, в течение которого интегратор «заводится» (что привело бы к меньшему напряжению, накопленному интегратором), но это также означало бы, что он будет считать быстрее в течение периода время, когда интегратору разрешалось «раскручиваться» с фиксированной скоростью.

Пропорция, в которой счётчик считает быстрее, будет той же пропорцией, в которой накопленное напряжение интегратора уменьшается до изменения тактовой частоты. Таким образом, ошибка тактовой частоты устранится, и цифровой выход будет именно таким, каким он должен быть.

Ещё одним важным преимуществом этого метода является то, что входной сигнал усредняется по мере того, как он приводит в действие интегратор в течение фиксированной части цикла. Любые изменения аналогового сигнала в течение этого периода времени оказывают кумулятивный эффект на цифровой выход в конце этого цикла.

Другие стратегии АЦП просто «захватывают» уровень аналогового сигнала в один момент времени каждого цикла. Если аналоговый сигнал является «зашумлённым» (содержит значительные уровни ложных всплесков/провалов напряжения), одна из других технологий преобразователя АЦП может иногда преобразовывать всплеск или провал, поскольку она захватывает сигнал многократно в один момент времени.

АЦП с двойным наклоном, с другой стороны, усредняет все выбросы и провалы в течение периода интегрирования, таким образом обеспечивая выходной сигнал с большей помехоустойчивостью. АЦП с двойным наклоном используются в приложениях, требующих высокой точности.