10.3.2. Интегрирующие ацп.

В основу метода интегрирующего преобразования положен принцип сравнения значений интегралов амплитуд входного аналогового сигнала u_вх(t) в определенных пределах и опорного напряжения U_REF в тех пределах, при которых разница этих двух интегралов дает нулевой результат. Нахождение каждого такого интеграла реализуется за один такт преобразования, т.е. за два такта в сумме для обоих интегралов. Поэтому такой метод преобразования часто называют методом двухтактного интегрирования. В качестве результата аналого-цифрового преобразования принимается двоичный код X, пропорциональный пределам интегрирования опорного напряжения. Математически это можно записать:

.

Двоичный код может быть получен путем заполнения интервала t_инт тактовыми импульсами и подсчета их двоичным счетчиком. Для определенности пределов интегрирования такими же импульсами заполняется и интервал времени t₂-t₁. Этот интервал должен быть одинаковым при каждом преобразовании и обычно выбирается соответствующим модулю счета K_сч используемого двоичного счетчика.

Вариант схемы АЦП с двухтактным интегрированием представлена на рис. 10.7,а. Можно отметить отсутствие в приведенной схеме ЦАП, поскольку обе сравниваемые величины u_вх(t) и U_REF представлены в аналоговой форме. Компаратор DA3 выполнен так, что когда выходное напряжение с интегратора, реализованного на операционном усилителе DA2, резисторе R и конденсаторе C, равно нулю, т.е. когда U_вых.DA2=0, то на его выходе устанавливается уровень логического нуля. Если выходное напряжение интегратора меньше нуля U_вых.DA2<0, то на выходе компаратора устанавливается логическая единица.

В исходном состоянии триггеры DD1 и DD2 сброшены в ноль и ключи SW1 и SW2 разомкнуты. На выходе вентиля ИЛИ DD4 формируется ноль, который инвертируется в единицу инвертором DD5, замыкая тем самым ключ SW3. Это обеспечивает нулевое начальное напряжение на конденсаторе C и нулевое напряжение на выходе интегратора. Выполняется условие U_вых.DA2=0, на выходе компаратора формируется нулевой логический уровень, который закрывает стробирующий вентиль И DD6, в результате чего импульсы с выхода генератора GN на счетчик DD2 на проходят. Преобразование начинается с подачи на вход «Start» схемы короткого единичного импульса (момент времени t₁) (рис.10.7,б). По этому импульсу триггер DD1 устанавливается в единицу и замыкается ключ SW2. На выходе вентиля ИЛИ DD4 также формируется единица, которая инвертируется инвертором DD5 в ноль и размыкается ключ SW3. В результате на вход интегратора подается амплитуда входного напряжения. Если изменение входного напряжения u_вх(t) отсутствует или происходит со временем, значительно превышающим постоянную времени =RC, то можно считать входное напряжения постоянным в масштабе периода интегрирования. В этом случае на выходе интегратора напряжение начинает линейно убывать. Выполняется условие U_вых.DA2<0, на выходе компаратора формируется логическая единица, которая открывает элемент И DD6. Тактовые импульсы с выхода генератора GN начинают поступать на счетчик DD7.

После того, как будут подсчитаны К_сч импульсов, на выходе счетчика сформируется единичный уровень сигнала переноса P, который сбросит триггер DD1 в ноль и установит триггер DD2 в еднинцу. В результате ключ SW2 закроется, а SW1 откроется (момент времени t₂). На выходе вентиля ИЛИ DD4 будет сохраняться единица, на выходе инвертора DD5 - ноль, и ключ SW3 будет оставаться размкнутым. Напряжение на выходе интегратора в момент времени t₂ определяется из формулы:

.

Поскольку интегрирование входного напряжения прекращается сигналом переноса P счетчика, то время интегрирования Т_инт получается постоянным, независящим от амплитуды входного напряжения, а зависящим только от частоты следования тактовых импульсов и К_сч счетчика.

Рис. 10.7. Схема (а) и временная диаграмма работы (б) двухтактного интегрирующего АЦП.

С открытием ключа SW1 на вход схемы начинает подаваться опорное напряжение U_REF через аналоговый инвертор DA1, т.е. на вход интегратора оно поступает с отрицательной полярностью. Напряжение U_REF можно формировать изначально отрицательной полярности, тогда необходимость в инверторе DA1 отпадет. Напряжение на выходе интегратора не может измениться скачком, поэтому оно начинает линейно возрастать. В момент времени t₃ оно достигнет нулевого уровня U_вых.DA2=0, на выходе компаратора DA3 сформируется уровень логического нуля, который закроет элемент И DD6, подача счетных импульсов на счетчик прекратится. Одновременно через инвертор DD3 сбросится в ноль триггер DD2 и закроется ключ SW1. На выходах обоих триггеров будут присутствовать нули, которые поступят на входы вентиля ИЛИ DD4, в результате чего на его выходе сформируется ноль. Этот ноль проинвертируется инвертором DD5 и откроется ключ SW3 для разряда конденсатора и приведения его в исходное состояние. На выходе счетчика зафиксируется двоичный код, пропорциональный входному напряжению. Для выходного напряжения интегратора в момент времени t₃ можно записать:

или

откуда

.

Таким образом, количество подсчитанных двоичным счетчиком тактовых импульсов в период и сформированный цифровой код Х прямо пропорционален входному аналоговому напряжению. Для облегчения синхронизации работы с другими устройствами в схеме рассмотренного АЦП также предусмотрен управляющий выходной сигнал «Busy». Поскольку весь процесс двухтактного преобразования сопровождается логическим нулем на выходе вентиля ИЛИ DD4, его выход можно использовать и как цепь сигнала «Busy».

Ключ SW2 коммутирует только положительный потенциал входного напряжения U_вх. Поэтому его можно реализовать на основе n-канального полевого транзистора с индуцированным каналом, как это делалось в схемах ЦАП. Ключи SW1 и SW3 коммутируют отрицательные потенциалы (-U_REF и -U_вых.DA2). Для реализации этих ключей необходимо использовать аналогичные транзисторы, но с каналом p-типа. Для управления такими транзисторами на их затворы необходимо подавать сигналы логических единиц с отрицательными потенциалами. Для формирования отрицательных уровней напряжения в схеме можно использовать двуполярный источник питания и инверторы полярности напряжений.

АЦП двухтактного интегрирования, также как и АЦП последовательного счета, обладает не высоким быстродействием, поскольку выходной код формируется процессом подсчета тактовых импульсов, длительность которого зависит от амплитуды входного аналогового сигнала. Часто интегрирующие АЦП по этой причине относят к АЦП последовательного счета. Между тем двухтактный интегрирующий АЦП обладает существенным достоинством. По причине интегрирования входного сигнала осуществляется фильтрация высокочастотных помех. Кроме того, период интегрирования T_инт входного напряжения можно выбрать таким, чтобы почти полностью исключить помехи с частотами, кратными 1/T_инт. Для исключения помех, вызванных наводками бытовой сети с частотой 50 Гц, период интегрирования должен выбираться кратным значению 1/50 с. Отсюда следует, что интегрирующие АЦП целесообразно применять для оцифровки аналоговых сигналов, характеризующихся сверхнизкими частотами.