Интегрирующие АЦП

Интегрирующие преобразователи получили широкое распространение благодаря простоте реализации, высокой разрешающей способности и возможности существенно снизить влияние периодических помех. Однако они могут использоваться только для преобразования низкочастотных сигналов ,т.к.обладают низким быстродействием. Всегда существует противоречие между быстродействием и разрешающей способностью - чем выше разрешающая способность, тем меньше быстродействие.

В интегрирующих АЦП осуществляется промежуточное преобразование в параметр, который легко представить в цифровом виде – это частота или временной интервал, с последующим преобразованием в код. В многообразии этих преобразователей можно выделить два, которые нашли дальнейшее развитие и широкое распространение в виде интегральных схем. Это АЦП двухтактного интегрирования (с промежуточным преобразованием в интервал) и АЦП с импульсной обратной связью (с промежуточным преобразованием в частоту).

АЦП двухтактного интегрирования (рисунок 24.9) состоит из буферного усилителя на ОУ1, интегратора на ОУ2, компаратора на ОУ3, схемы управления, генератора тактовых импульсов ГТИ и элементов, реализующих преобразования временного интервала в код: логического элемента «И», счетчика и регистра.

Рисунок 24.9 - Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования

Работу преобразователя подразделяют на три такта. В первом такте усиленное входное напряжение интегрируется, т.е. находится среднее значение напряжения за интервал . Во втором такте производится интегрирование эталонного напряжения , в третьем такте - коррекция напряжения смещения нуля. Диаграмма работы АЦП двухтактного интегрирования показана на рисунке 24.10.

Рисунок 24.10 - Диаграмма работы АЦП двухтактного интегрирования

В первом такте течение временного интервала , который задан с высокой точностью, ключи , , находятся в исходном состоянии. Напряжение поступает на буферный усилитель и после усиления интегрируется, напряжение на выходе интегратора растет по линейному закону

, (24.9)

к концу интервала будет равно

, (24.10)

где k – коэффициент усиления буферного усилителя,

- постоянная времени интегратора.

Во втором такте ключ переключается и на вход поступает эталонное напряжение , которое имеет полярность противоположную входному напряжению. Напряжение на выходе интегратора начинает линейно убывать по закону

. (24.11)

В некоторый момент , который фиксируется компаратором напряжения , из последнего равенства следует

=0 (24.12)

или

(24.13)

Таким образом, интервал пропорционален среднему значению входного напряжения , заполнение интервала счетными импульсами, поступающими от генератора ГТИ, позволяет найти числовой код

. (24.14)

На третьем этапе производится коррекция напряжения смещения. Для этого ключи, переводятся в нижнее положение, вход буферного усилителя замыкается на общую шину, конденсатор С заряжается через замкнутый ключ до напряжения смещения, которое после размыкания ключей вычитается из напряжения .

Важно отметить, что точность преобразования зависит только от стабильности источника эталонного напряжения , т.к. интервал формируется в схеме управления генератором ГТИ и изменение его частоты не влияет на значение кода. К достоинствам интегрирующих АЦП следует отнести их высокую помехозащищенность. Если на входной сигнал наложена гармоническая помеха, то при равенстве периода помехи интервалу среднее значение помехи к концу интервала будет равно нулю.

АЦП двухтактного интегрирования изготавливаются в виде полупроводниковых микросхем, в основном, в двух модификациях:

- схемы с последовательным или с параллельным интерфейсом для сопряжения с микропроцессорами (18 двоичных разрядов, МАХ132),

- схемы с дешифраторами для управления семисегментными индикаторами применяются в цифровых мультиметрах (5 десятичных разрядов, 572ПВ).

Из АЦП с промежуточным преобразованием в частоту особого внимания заслуживают преобразователи с импульсной обратной связью (рисунок 24.11).

АЦП с импульсной обратной связью состоит из буферного усилителя на ОУ1, интегратора на ОУ2, компаратора на ОУ3, ждущего генератора импульсов постоянной вольт-секундной площади , и элементов реализующих преобразования частоты в код: генератора импульсов постоянного периода , логического элемента «И», счетчика и регистра. Основным звеном в этой схеме является преобразователь напряжения в частоту следования импульсов (обведен штриховой линией).

Рисунок 24.11 - Структурная схема АЦП с импульсной обратной связью

Работа преобразователя иллюстрируется временной диаграммой (рисунок 24.12). Заряд конденсатора интегратора осуществляется входным напряжением , а разряд производится импульсом с постоянной вольт-секундной площадью. Если входное напряжение положительно, то импульсы генератора должны быть отрицательными.

Рисунок 24.12 - Диаграмма работы АЦП с импульсной обратной

связью

Напряжение на выходе интегратора линейно растет до тех пор, пока не сравняется с эталонным напряжением на прямом входе компаратора (ОУ3). Компаратор переключается и выдает сигнал на запуск генератора постоянной вольт-секундной площади. Под действием этого напряжения амплитудой и длительностью напряжение на выходе интегратора уменьшается, далее процесс повторяется. В результате компаратор генерирует последовательность коротких импульсов, частота следования которых пропорциональна входному напряжению . Действительно, если учесть, что напряжения на интеграторе в процессе заряда и разряда конденсатора изменяются на одну и ту же величину ( при =const) получим

, (24.15)

, (24.16)

Измерение частоты производится стандартным образом. С помощью генератора формируется интервал , который затем заполняется импульсами с частотой , в результате на выходе счетчика и регистра формируется выходной код

. (24.17)

В этой схеме функцию интегратора выполняет счетчик, а интервал интегрирования выбирают равным периоду помехи, что позволяет значительно повысить помехозащищенность преобразователя.

В последнее время в связи с широким применением АЦП в различных системах сбора и обработки информации появились новые типы АЦП. К ним относятся АЦП с сигма-дельта модулятором. По сути это название отражает два процесса интегрирования в течение малого времени и сложения результатов. Выходным сигналом такого модулятора является частота следования импульсов. Структурная схема сигма-дельта модулятора повторяет часть АЦП с импульсной обратной связью, обведенную штриховой линией.

Рисунок 24.13 - Структурная схема системы сбора данных

Современные АЦП превращаются в системы сбора данных. На рисунке 24.13 изображена структурная схема АЦП с сигма-дельта модулятором. Основу составляет Σ-Δ модулятор с цифровым фильтром. Для подключения к нескольким источникам аналоговых сигналов используется аналоговый коммутатор. Измерительный усилитель меняет свой коэффициент усиления по команде управляющей микропроцессорной системы. Система управления загружает с главного процессора блок рабочих команд. Эти команды содержат сведения какие режимы использовать, какие из входных каналов образуют дифференциальные пары, подключают и отключают источники опорного напряжения (ИОН) и тока (ИОТ). Такого типа АЦП входят в состав микроконтроллеров и составляют основу систем сбора и обработки информации.