Uo – опорное напряжение; Rо.с. – сопротивление резистора обратной связи; Uвых – напряжение на выходе ЦАП

Опыт эксплуатации кодоимпульсных цифровых вольтметров очень быстро показал, что их высокую точность и хорошую разрешающую способность практически нельзя использовать из‑за низкой помехозащищенности. Поэтому с конца 60‑х годов они перестали использоваться в «чистом» виде. Получили распространение приборы, реализующие комбинацию метода последовательных приближений в сочетании с одним из двух методов, обладающих высокой помехозащищенностью: двухтактного интегрирования или с преобразованием напряжения в частоту. В этих приборах измеряемое постоянное напряжение не полностью компенсировалось прецизионным напряжением, вырабатываемым кодоимпульсным ЦАП, а нескомпенсированная разность напряжений измерялось, например, по методу двухтактного интегрирования.

Подобные цифровые вольтметры обладают высокой точностью и высокой помехозащищенностью. Уже один из первых таких приборов – модель TR6567 японской фирмы «Такеда Рикен» – имел хорошие метрологические характеристики: 1299999 точек на шкалу при разрешающей способности 1 мкВ, приведенную погрешность не более 0,004%, входное сопротивление не менее 10 ГОм; время измерения 1,1 с. В дальнейшем эти характеристики были улучшены.

Метод последовательных приближений способствовал не только улучшению характеристик цифровых вольтметров. Применение его в АЦП позволило повысить их точность и быстродействие, что было особенно важно для широкого использования этих преобразователей в информационно‑измерительных и измерительно‑вычислительных системах.

Большинство таких АЦП строится на основе ЦАП с резисторной матрицей R‑2R и транзисторных ключей. С момента своего появления в конце 50‑х годов до настоящего времени АЦП последовательных приближений прошли длительный путь развития. В 60‑х годах основная часть АЦП представляла собой плату, на которой размещались дискретные транзисторы и другие элементы схемы; в 70‑х годах это был уже микромодуль или гибридная интегральная схема, а с 80‑х – монолитная интегральная схема, которая к 90‑м годам включала в себя все большее количество элементов АЦП: источник эталонного напряжения, задающий генератор, интерфейсную часть, устройство выборки‑хранения, буферный усилитель и т.д.

К началу 80‑х годов АЦП последовательных приближений имели от 8 до 16 двоичных разрядов и высокие метрологические характеристики. Так, например, 16‑разрядный АЦП типа HS9516 (фирма «Гибрид Системе» (Hybrid Systems), США, 1983 г.), выполненный в виде гибридной схемы, обеспечивал нелинейность не более 0,0008% при времени преобразования 100 мкс.

Повысить быстродействие рассматриваемых АЦП при сохранении точности удалось путем перехода к двухкаскадной структурной схеме и двухтактному режиму работы. Первый каскад такого АЦП преобразует измеряемое напряжение в код с помощью малоразрядного (6–8 разрядов), но быстродействующего вспомогательного АЦП. Этот код поступает на вход «почти идеального» ЦАП, вырабатывающего прецизионное компенсирующее напряжение. Разность между измеряемым и компенсирующим напряжениями измеряется вторым малоразрядным АЦП. Выходной код формируется в виде суммы кодов двух вспомогательных АЦП.

Такую схему одной из первых начала применять фирма «Зелтекс» (Zeltex, США, 1979 г.). Ее 16‑разрядный АЦП типа ZAD7400, выполненный в виде модуля с размерами 76x102x9,5 мм, обеспечивал нелинейность не более 0,0015% при времени преобразования 10 мкс. В дальнейшем время преобразования удалось уменьшить. Например, фирма «Аналогик корп.» (Analogic Corp., США, 1985 г.) выпустила 16‑разрядный АЦП типа ADAM‑826–3 с временем преобразования 1,5 мкс, обеспечивающий дифференциальную нелинейность не более 0,0004%.

Высокое быстродействие АЦП последовательных приближений позволило широко использовать их в многоканальных измерительных системах для обработки быстро изменяющихся напряжений, несущих измерительную информацию.

Еще большее быстродействие обеспечивают АЦП, реализующие метод считывания (параллельные АЦП).

Идея построения этих преобразователей довольно проста, но сложна их техническая реализация. Количество компараторов в таком АЦП равно числу квантов, на которое разбит диапазон преобразования. Например, в 10‑разрядном параллельном АЦП нужно иметь более 1000 компараторов. На один из входов каждого компаратора подается измеряемое напряжение, а на второй – компенсирующее, соответствующее номеру кванта. Компенсирующие напряжения снимаются с выходов делителя эталонного напряжения, представляющего собой набор одинаковых резисторов, включенных последовательно, причем число резисторов равно числу квантов.

Каждому измеряемому напряжению соответствует вполне определенная комбинация состояний компараторов, которая преобразуется в выходной код АЦП. Быстродействие такого преобразователя, определяемое, в основном, быстродействием компараторов и логических схем, гораздо выше, чем у АЦП последовательных приближений.

В связи с тем, что параллельные АЦП с числом разрядов 8 и более содержат чрезвычайно большое количество элементов, их серийное производство и широкое применение стало возможным только в 80‑х годах, когда интегральная технология достигла необходимого уровня развития. Об их технических возможностях дает представление преобразователь типа RDT710, выпущенный в 1987 г. фирмой «Сони‑Тектроникс» (Sony‑Tektronix) – совместным предприятием фирм «Сони» (Япония) и «Тектроникс» (США). Это был 10‑разрядный АЦП, обеспечивающий 200 млн. преобразований в секунду.

Параллельные АЦП в настоящее время широко применяются для обработки высокочастотных сигналов, например, в цифровых осциллографах.

Успехи интегральной технологии способствовали также созданию многих других разновидностей АЦП: быстрого интегрирования, с плавающей запятой (с программируемым усилителем), алгоритмических, с дельта‑сигма модуляцией и др.