АЦП с интегрированием

Данный тип АЦП наиболее точен, обладает высокой помехоустойчивостью, но наименьшим быстродействием. Его работа основана на интегрировании входного сигнала с последующей оценкой величины полученного напряжения. На рис.11.20 приведена структура АЦП с двойным интегрированием.

Рис.11.20. АЦП с двойным интегрированием

Работа АЦП состоит из двух этапов. На первом, блок управления на фиксированное время ключом S подключает входное напряжение к входу интегратора и запирает элемент 2И ( ). Напряжение на выходе интегратора начинает увеличиваться.

. (11.13)

На втором интервале блок управления ключом S подключает к входу интегратора отрицательное эталонное напряжение и подает на нижний вход элемента сигнал лог. «1». Так как выходное напряжение интегратора положительно, на выходе компаратора сформирован высокий уровень напряжения. На выходе элемента формируется сигнал лог «1» и счетчик начинает считать импульсы генератора (Е – вход разрешения работы счетчика). Процесс заканчивается, когда выходное напряжение интегратора уменьшится до нуля (на выходе формируется сигнал лог. «0»). Длительность этого процесса зависит от величины выходного напряжения интегратора в момент , которое, в свою очередь, прямо пропорционально входному напряжению . На основании сказанного можно записать:

, или , откуда

. (11.14)

Числовой эквивалент выходного кода, устанавливающийся на выходе счетчика, определяется выражением:

, (11.15)

то есть выходной код счетчика пропорционален величине входного напряжения.

Важно отметить, что полученное значение выходного кода в соответствие с выражением 11.15 не зависит от параметров схемы (в частности параметров интегратора) и определяется только точностью формирования интервала и стабильностью поддержания эталонного напряжения . К тому же, если интервал кратен периоду внешних помех, то обусловленная их действием ошибка преобразования отсутствует.

Сигма-дельта АЦП

Данный АЦП развивает идеи, реализованные в интегрирующих и последовательно-параллельных АЦП, и позволяет получить высокоточный результат на основе анализа последовательности приближенных измерений. Его основными узлами являются сумматор ( -обозначение операции сложения) и интегратор ( - обозначение операции интегрирования). Отсюда и название сигма-дельта АЦП (Σ-∆-АЦП). Рассмотрим его работу на примере блок схемы Σ-∆-АЦП первого порядка, показанной на рис.11.21. В этой схеме компаратор DA₂ выполняет функцию однобитного АЦП, а ключи S₁ и S₂, совместно с инвертором DD₁ – функцию однобитного ЦАП, формирующего на выходах два эталонных напряжения противоположной полярности ( и ). Время преобразования определяется тактовой частотой (частота передискретизации) и модулем счета счетчика DD₃. Для получения результата необходимо число периодов , равное модуля счета счетчика DD₃. .

Рис.11.21. Сигма-дельта АЦП

На первом периоде и выходное напряжение на выходе интегратора DA₁ определяется только входным напряжением

(11.16)

Далее напряжение на входе интегратора DA₁ определяется разностью входного напряжения и выходного напряжения ЦАП ( ) и результат его интегрирования добавляется к ранее полученному значению . Таким образом, выходное напряжение интегратора на каждом такте преобразования определяется его предыдущим значением и выходным сигналом АЦП.

(11.17)

Из-за действия цепи отрицательной обратной связи выходное напряжение будет колебаться около нулевого значения. Предположим, что через m тактов частоты напряжение на выходе интегратора принимает значение, определяемое выражением (11.16). При этом на выходе компаратора сформировано p единичных и q нулевых сигналов . Тогда, полагая для простоты, что все напряжение постоянны и с учетом (11.17) можно записать:

. (11.18)

Используя (11.18) окончательно получим:

. (11.19)

Таким образом, отношение числа единиц p, подсчитанных счетчиком DD₃, к длительности периода m в полученной последовательности выходных импульсов триггера DD₂ однозначно определяет связь эталонного и входного напряжений.

Длительность цикла m можно определить из (11.19) при условии, что m и p являются целями числами. Так, например, при и , а при и .

Если модуль счета счетчика много больше периода m, то погрешность, полученная из-за их не кратности, не внесет значительную ошибку в измерение.

Нетрудно заметить, что если , то числа нулей и единиц на выходе триггера DD₂ будут равны и в счетчик запишется число импульсов, равное половине его модуля счета . Если , то , а если , то . Поэтому на выходе счетчика формируется дополнительный код входного напряжения. Так в 10 разрядном АЦП код 0000000000 будет соответствовать , код 1000000000 - , а код 1111111111 -

В выпускаемых промышленностью АЦП вместо выходного счетчика, как правило, используют цифровой фильтр нижних частот, что позволяет значительно улучшить его характеристики.