курсач

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Т_отс и частота дискретизации f_пр связаны соотношением

 

Т_отс = 1/f_пр.

 

В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов частота преобразования может быть установлена небольшой – единица Герц и менее. В устройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления цифрового сигнала в аналоговую форму. Например, преобразование речевого сигнала в дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как f_пр = 2F_мах, где F_мах – максимальная частота речевого сигнала.

При обеспечении преобразования без искажений требуется выполнение следующего условия:

t_пр < Т_отс,

 

где t_пр – время преобразования АЦП одного отсчета.

При использовании в цифровых мультиметрах аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного счёта и последовательного приближения достаточно удобны, но технологически проблема заключается в производстве высокоточной матрицы типа R-2R Причём, чем выше разрядность АЦП, тем точнее должна изготавливаться эта матрица. Более технологичен (и соответственно более дешев) АЦП двойного интегрирования, обобщенная схема которого представлена на рис. 1, а принцип работы пояснен на рис. 2.

Основным элементом АЦП двойного интегрирования является интегратор, на вход которого с помощью ключей S1 и S2 может подаваться либо измеряемое напряжение Uвх, либо опорное напряжение от источника опорного напряжения (ИОН) противоположного знака. Выход интегратора связан с компаратором (К), который своим выходом управляет записью значений в регистр. Запуск счётчика и управление ключами осуществляется устройством управления. Генератор тактовых импульсов является высокостабильным узлом данного АЦП.

Вся работа АЦП разделена на две фазы:

• заряд конденсатора (С) за фиксированный интервал времени (время наполнения счетчика);

• разряд конденсатора током фиксированного значения (за счет подключения ИОН).

Исходное состояние — на выходе интегратора нулевое значения напряжения, и счётчик в нулевом состоянии. Замыкания ключа S1 — старт преобразования. При этом выходное напряжение интегратора начинает линейно возрастать (Фаза 1) . Этот процесс длится строго заданное время — до переполнения счётчика. Этот сигнал приводит к размыканию ключа S1 и замыканию ключа S2. В результате на вход интегратора подаётся опорное напряжение отрицательного значения. Выходное напряжение интегратора начинает убывать по линейному закону (Фаза 2). Когда напряжение на интеграторе снижается до нуля, срабатывает компаратор и останавливает счётчик и делает запись данных в регистр.

Достоинствами АЦП двойного интегрирования является возможность хорошо подавлять сетевые помехи и требуется меньше прецизионных элементов, важно только обеспечить хорошую стабильность ИОН и генератора. АЦП двойного интегрирования могут имеют разрядность до 18 бит. В тоже время, этот АЦП является медленно действующим. Следует отметить, что с повышением разрядности повышаются требования к работе компаратора. А из курса электроники известно, что чем точнее компаратор, тем хуже он работает на высоких частотах. Обычно, скорость измерений не превышает 3-х измерений в секунду. Это временное ограничение не позволяет построить на основе структуры классического цифрового мультиметра осциллограф (сразу после широкого появления цифровых мультиметров с интерфейсом в конце 90-х годов, некоторые любители пытались обсуждать возможность такого проекта). Как противопоставление невысокой скорости измерений в цифровых мультиметрах используется графическая шкала, расположенная на дисплее мультиметра ниже или выше цифровых показаний измеряемой величины.

Типичными представителями АЦП двойного интегрирования являются отечественные интегральные микросхемы К572ПВ2 (аналог ICL7107) и К572ПВ5 (аналог ICL7106). Тактовая частота (рекомендуемая) для преобразования 50 кГц, время преобразования 0,32 мс (16000 тактов). Тактовая частота 50 кГц обеспечивает полное целое число раз для помехи 50 Гц и, таким образом, помеха будет полностью интегрирована. Источник опорного напряжения для данной микросхемы 0,1...1 В. При значении 1 В максимальное отображаемое значение ±1,999 В (обычно именно это значение имеют как 3½ разряда). Ток потребления К572ПВ5 около 0,6 мА, что очень важно для ручных переносных приборов.

АЦП с двойным интегрированием. Аналого-цифровой преобразователь с двойным интегрированием является разновидностью устройств, реализующих метод последовательного счета. АЦП данного класса отличаются повышенной точностью и помехозащищенностью. Объясняется это тем, что любой сигнал (U_c), кроме полезной собственно информационной составляющей (U_инф) содержит составляющие помех (U_пом), которые носят, как правило, периодический характер с периодом Т_п. Это, например, наводки от питающего напряжения, собственные шумы элементов и т.д.:

U_c = U_инф + ∑ U_пом sin 2πt / Т_п

При непосредственном преобразовании выборка U_c происходит в дискретные моменты времени и поэтому выходной код пропорционален мгновенным значениям U_с, а не U_инф.

Если в процессе преобразования сигнал U_с проинтегрировать, при этом время интегрирования выбрать кратное периодам составляющих помех Т_п, то результат будет пропорционален собственно информационной составляющей сигнала

Этот подход и реализован в АЦП с двойным интегрированием. Идея их построения заключается в следующем.

Сначала, в течение некоторого фиксированного временного интервала  t₁ входной сигнал интегрируют аналоговым интегратором. Полагая, что на этом интервале U_инф постоянно, а в момент t = 0 выходное напряжение интегратора равнялось нулю, для момента t₁ можно записать

Далее к входу интегратора подключают некоторое эталонное напряжение (U_REF), полярность которого противоположна полярности напряжения U_инф. Интегрирование U_REF ведут до тех пор, пока его выходное напряжение не уменьшится до нуля. Если U_REF постоянно, то можно записать

Решая

относительно временного интервала Δt = t₂ — t₁, получаем

Δt = U_инфt₁  / U_REF

Из

Δt = U_инфt₁  / U_REF

следует, что интервал Δt не зависит от собственных параметров интегратора и определяется только временем интегрирования входного сигнала и эталонным напряжением.

Если в течение интервала Δt посчитать счетчиком число импульсов некоторой тактовой частоты f_т, то полученный код будет пропорционален входному напряжению. При этом в силу

все составляющие помех будут компенсированы и выходной ток М будет пропорционален U_инф:

M = U_инфt₁ f_т / U_REF

Если выполнить условие |U_REF| > |U_инф|, то интервал t₁ будет всегда больше интервала Δt и его можно задать, посчитав число импульсов той же частоты f_т тем же счетчиком

t₁ = 2^b / f_т

Подставив значение t₁ в

M = U_инфt₁ f_т / U_REF

окончательно получим

M = 2^bU_инф / U_REF

Из выражения

M = 2^bU_инф / U_REF

следует, что при таком способе реализации выходной код АЦП зависит только от U_инф и U_REF и, следовательно, долговременные нестабильности как интегратора (RC), так и задающего генератора (f_т) не влияют на точность преобразования. Именно этим и объясняется высокая точность и помехозащищенность 

 Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи. Работа его заключается в следующем. Счетчик запускается от генератора тактовых импульсов в момент поступления на интегратор входного сигнала U_вх, из которого за время интегрирования делается выборка. За время выборки напряжение на выходе интегратора U_выхувеличивается. В момент t_и прямое интегрирование заканчивается, входной сигнал от интегратора отключается и к его суммирующей точке подключается эталонный резистор. От времени t_и до моментов t₁...t₃ продолжается разряд конденсатора интегратора с постоянной скоростью. Интервалы времени от t_и до нулевых отметок (t₁...t₃) пропорциональны уровню входного сигнала. Существенным преимуществом преобразователя является простота компенсации наводок сети промышленного питания.

АЦП двойного интегрирования относится к наиболее медленно работающим преобразователям. Однако высокая точность, низкий уровень шумов и низкая стоимость делают их незаменимыми при применении в щитовых приборах, мультиметрах, цифровых термометрах и т.п. Этому способствует также то, что результаты преобразования в интегрирующих АЦП часто представляются в десятичном коде или же в удобном виде для представления цифр десятичной системы счисления.

АЦП с применением ГУН, получившие название преобразователей напряжение – частота, обладают средним временем преобразования и используются преимущественно в измерительных системах, например в системах измерения скорости и торможения автомобилей, измерения ухода несущей частоты в системах связи, высокоточных накопителях информации, помехоустойчивых системах передачи данных, фильтрах и др.

В табл. 5.2 приведены основные параметры наиболее популярных АЦП.

Тип микросхем	n	dдфпн, % (МЗР)	tnp, мкС	Uип, В	Uon, В	Uвx, В	Iпот, мА
К572ПВ1А	12	0,05	170	5, 15	±15	10	5
КР572ПВ2	3,5	(±1...±5)	105	±5	0,1...3	±2,0,	1,8
К1113ПВ1	10	(2)	30	5, -15	±10	10,24	28
К572ПВ4	8	(0,5)	32	5	0...±2,5	2,5	3
КР572ПВ5	3,5	(±1)	-	±5	-	±2,0	1,5
К1107ПВ1	6	0,78	0,1	+5; -6	-2	0...-2	200
К1107ПВ2	8	0,3	0,1	+5; -6	-2	0...-2	450
К1107ПВЗ	6	0,19	0,02	+5; -5,2	±2,5	±2,5	100
К1107ПВ4	8	0,38	0,03	+5; -5,2	±2,5	±2,5	450