Развертывающие АЦП

Название «развертывающие» АЦП этой группы получили исходя из общего применяемого принципа их функционирования. Работа этих АЦП основана на развертке величины кодируемого напряжения во временной интервал, пропорциональный по продолжительности этому напряжению. Этот временной интервал заполняется импульсами. Подсчет количества импульсов, вошедших в интервал, и позволяет получить цифровую оценку кодируемого напряжения.

Развертка кодируемого напряжения во временной интервал осуществляется всегда с помощью интеграторов или с использованием генераторов пилообразного напряжения, которые в свою очередь обычно строятся на основе интеграторов. Все это привело к тому, что за развертывающими АЦП закрепилось еще одно название – интегрирующие АЦП.

Очевидно, что общий принцип функционирования развертывающих АЦП уже сам по себе определяет, что они относятся к преобразователям низкого быстродействия – это их главный недостаток. Главным же их достоинством является возможность добиться при практической реализации высокой точности преобразования. Существуют некоторые принципиальные отличия этих АЦП от других. Эти отличия (они будут сформулированы далее) позволяют создавать развертывающие преобразователи с точностью преобразования на уровне 20–25 двоичных разрядов. При реализации других структур АЦП при сопоставимых затратах такого уровеня точности достичь не удается. При этом развертывающие АЦП одновременно отличаются простотой построения и распространенностью используемых структурных компонентов.

Существующие структуры развертывающих АЦП отличаются друг от друга в первую очередь способом организации развертки. За некоторыми типовыми структурами закрепились названия, отражающие в определенной степени принцип их построения и функционирования. Ниже будут рассматриваться основные такие структуры. Не смотря на определенную разницу в их функционировании, общий принцип работы определяет некоторые общие черты их построении. Любая из рассмотренных ниже структур будет иметь генератор тактовых импульсов ГТИ, ключ S, через который импульсы с ГТИ будут передаваться на счетчик СТ. Ключ S будет открываться только на время измерительного интервала. Значения кода, формируемые на выходе счетчика СТ к концу измерительного интервала, будут пропорциональны величине входного кодируемого напряжения.

На рис. представлена структура развертывающего время-импульсного развертывающего АЦП, а также временные диаграммы, поясняющие принцип ее функционирования.

Р и с. Структура время-импульсного развертывающего АЦП (а)

и временные диаграммы ее работы (б).

Перед началом кодирования счетчик СТ обнуляется. Кодирование начинается с запуска генератора линейно спадающего напряжения ГЛН. Амплитуда напряжения ГЛН U_{ГЛН МАХ} равна максимально возможному значению входного кодируемого напряжения U_{ВХ МАХ}. Первый компаратор КОМ1 оценивает соотношение величины кодируемого напряжения U_ВХ и выходного напряжения ГЛН U_ГЛН. В момент начала кодирования величина напряжения U_ГЛН обязательно больше величины U_ВХ и выходной сигнал КОМ1 устанавливается в состояние закрывающее электронный ключ S. При этом импульсы с генератора тактовых импульсов ГТИ через ключ S на счетчик СТ не поступают. В момент времени t₁ напряжение с ГЛН U_ГЛН станет меньше напряжения U_ВХ. При этом выходной сигнал КОМ1 переключится в состояние открывающее ключ S и импульсы с ГТИ через ключ S начнут поступать на счетчик СТ. Счетчик будет считать количество этих импульсов. В момент времени t₂ второй компаратор КОМ2 зафиксирует момент сравнения напряжения с ГЛН U_ГЛН с нулем, при этом на его выходе появится сигнал закрывающий ключ S. Поступление через ключ S импульсов с ГТИ прекратится. Прекратится и их подсчет счетчиком СТ. Т. к. напряжение U_ГЛН с течением времени меняется линейно, то продолжительность временного интервала (t2 – t1) будет пропорциональна величине кодируемого напряжения U_ВХ. Следовательно, пропорционально величине U_ВХ будет и количество подсчитанных за это время счетчиком СТ импульсов ГТИ. Таким образом, код на выходе счетчика принимается за цифровую оценку величины U_ВХ, т. е. за выходной код N_ВЫХ АЦП.

Анализ работы структуры показывает, что величина выходного кода будет пропорционально зависеть от частоты генератора тактовых импульсов f_ГТИ, и обратно пропорциональна скорости спада выходного напряжения генератора линейно спадающего напряжения ГЛН U_ГЛН.

Рассмотрим то, какие элементы и как влияют на точность преобразования рассмотренной структуры. Анализ работы такого АЦП позволяет сделать выводы, что общая точность преобразования будет ограничиваться несколькими факторами.

Во-первых, на точность преобразования будут оказывать влияние инструментальные погрешности компараторов, а именно их погрешности смещения нуля. Эти погрешности легко компенсируются.

Во-вторых, точность преобразования будет ограничиваться дискретностью оценки временного интервала (t₂ – t₁). Если не менять частоту ГТИ уменьшить погрешность дискретизации временного интервала (t₂ – t₁) можно увеличивая длительность этого интервала за счет уменьшения скорости изменения напряжения ГЛН U_ГЛН. Однако это будет приводить к увеличению времени преобразования. Не уменьшая скорости изменения выходного напряжения ГЛН U_ГЛН, уменьшить погрешность дискретизации временного интервала (t₂ – t₁) можно увеличивая частоту импульсов ГТИ f_ГТИ. Максимальная частота ГТИ будет определяться частотными свойствами применяемой элементной базы.

Наконец, точность преобразования будет ограничиваться погрешностями нелинейности напряжения с ГЛН U_ГЛН.

При построении любого устройства проектировщик, учитывая ограничения на общую погрешность преобразования, обычно реализует его структурные элементы, добиваясь таких их погрешностей, чтобы в общей погрешности устройства они отражались величинами одного порядка. Ведь очевидно, что нет смысла добиваться существенного уменьшения одной составляющей погрешности если другие уже существенно превалируют над ней. Для нашего случая, например, нет смысла существенно уменьшать погрешность дискретизации временного интервала (t₂ – t₁) за счет увеличения частоты ГТИ, если в общую погрешность преобразования уже большую долю вносит погрешность, которая обуславливается нелинейностью ГЛН.

Основные погрешности преобразования других структур развертывающих АЦП, рассматриваемых ниже, также будут зависеть от частоты ГТИ f_ГТИ и линейности развертывающего напряжения.

На рис. показана структура частотно-импульсного развертывающего АЦП и временные диаграммы ее работы.

Р и с. Структура частотно-импульсного развертывающего АЦП (а)

и временные диаграммы ее работы (б).

Развертка входного напряжения во временной интервал в таком АЦП основана на линейной зависимости изменения скорости изменения напряжения на выходе интегратора от величины поданного на его вход постоянного напряжения.

Перед началом кодирования счетчик СТ обнуляют, емкость интегратора разряжают и напряжение на его выходе U_ИНТ равно нулю. Одновременно с подачей на вход АЦП в момент времени t₁ входного кодируемого напряжения U_ВХ разрешается поступление импульсов с ГТИ через ключ S на счетчик, который начинает их подсчет. С подачей на вход напряжения U_ВХ напряжение U_ИНТ начинает линейно нарастать. Компаратор КОМ оценивает соотношение величин напряжения U_ИНТ и напряжения источника опорного напряжения (ИОН) U_ИОН. В момент t₂, когда они сравняются, выходной сигнал компаратора КОМ устанавливается в состояние, закрывающее ключ S. Поступление через ключ импульсов с ГТИ на счетчик СТ и их подсчет прекращается. Т. к. скорость нарастания напряжения на выходе интегратора U_ИНТ линейно зависит от величины подаваемого на вход интегратора напряжения (и с увеличением подаваемого напряжения растет), а напряжение U_ИНТ с течением времени растет линейно, то продолжительность временного интервала (t₂ – t₁) будет тем меньше, чем больше величина кодируемого напряжения U_ВХ. Следовательно, количество подсчитанных счетчиком СТ импульсов будет обратно пропорционально величине кодируемого входного напряжения U_ВХ, а код на выходе АЦП N_ВЫХ будет являться цифровой оценкой величины U_ВХ.

Рассмотрим это с аналитической точки зрения. Напряжение на выходе интегратора U_ИНТ за временной интервал (t₂ – t₁) станет равным следующему значению:

.

За временной интервал (t₂ – t₁) на вход счетчика с частотой f_ГТИ поступит число импульсов, которое определит выходной код АЦП N_ВЫХ. Исходя из этого, можно выразить длительность временного интервала (t₂ – t₁) следующим образом:

.

С учетом того, что за временной интервал (t₂ – t₁) напряжение на выходе интегратора U_ИНТ достигнет значения напряжения источника опорного напряжения U_ИОН для определения значения выходного кода АЦП N_ВЫХ получим следующее выражение:

.

Таким образом, значения выходного кода АЦП N_ВЫХ будут тем больше, чем больше частота тактового генератора f_ГТИ и постоянная интегрирования интегратора RC. Значения выходного кода АЦП N_ВЫХ будут определяться средним значением входного кодируемого напряжения за временной интервал (t₂ – t₁).

Особое место среди развертывающих АЦП занимает структура двойного интегрирования. Данная структура и временные диаграммы ее работы показаны на рис.. Рассмотрим порядок функционирования этого АЦП.

Р и с. Структура развертывающего АЦП двойного интегрирования (а)

и временные диаграммы ее работы (б).

Перед началом измерений переключатель Р переводится в положение, при котором вход преобразователя оказывается подключен к интегратору, а счетчик СТ обнуляется. Подача входного напряжения U_ВХ на вход интегратора приводит к тому, что его выходное напряжение U_ИНТ начинает линейно расти. Устройство управления преобразователем следит за тем, чтобы переключатель Р оставался в таком положении строго определенное время Т. Это время от измерения к измерению не меняется, т. е. Т = const. За время Т напряжение U_ИНТ вырастет до уровня пропорционального величине кодируемого U_ВХ. По истечении этого времени в момент t₁ устройство управления переводит переключатель Р в положение, при котором вход интегратора оказывается подключенным к источнику опорного напряжения ИОН. Одновременно открывается электронный ключ S и через него импульсы с генератора тактовых импульсов ГТИ начинают поступать на счетчик СТ, который производит их подсчет. Полярность напряжения ИОН выбирается противоположной полярности U_ВХ, поэтому подключение входа интегратора к ИОН приводит к тому, что напряжение на выходе интегратора U_ИНТ начинает линейно спадать. Компаратор КОМ фиксирует момент времени t₂, когда величина напряжения на выходе интегратора U_ИНТ станет равным нулю. При этом выходной сигнала компаратора КОМ переключится в состояние, при котором ключ S закрывается. Подсчет импульсов в этот момент времени закончится. Очевидно, что продолжительность отрезка времени (t₂ – t₁) пропорциональна величине кодируемого напряжения U_ВХ, поэтому пропорциональна ему и величина кода N_ВЫХ на выходе счетчика СТ.

Как видно, процесс преобразования разбит на два такта интегрирования, что и определило название данной структуры АЦП.

Проведем аналитический анализ работы структуры. Период интегрирования Т в практических реализациях определяется с помощью таймера, реализуемого на счетчике. Для того чтобы отсчитать заданное время Т счетчик таймера отсчитывает n импульсов ГТИ, поступающих на него с частотой f_ГТИ:

.

К моменту окончания первого такта интегрирования выходное напряжение интегратора U_ИНТ составит:

. (1)

Отметим, что напряжение на выходе интегратора будет пропорционально среднему значению входного напряжения за время интегрирования U_{ВХ СР} . Во втором такте будет интегрироваться напряжение источника опорного напряжения U_ИОН. Напряжение на выходе интегратора во втором такте интегрирования будет меняться следующим образом:

. (2)

За время второго такта (t₂ – t₁) на вход счетчика с частотой f_ГТИ поступит число импульсов, которое определит выходной код АЦП N_ВЫХ. Исходя из этого, можно выразить длительность временного интервала (t₂ – t₁) следующим образом:

.

Во втором такте напряжение на выходе интеграторе U_ИНТ будет уменьшаться до нуля начиная с уровня, который был достигнут на первом такте интегрирования, поэтому правые части выражений (1) и (2) будут равны между собой. Из полученного равенства получим:

.

Из этой формулы следует, что отличительной особенностью метода многотактного интегрирования является то, что ни тактовая частота f_ГТИ, ни постоянная интегрирования RC не влияют на результат. Выходной результат определяется соотношением среднего значения входного напряжения за время интегрирования U_{ВХ СР} и величиной напряжения источника опорного напряжения U_ИОН, а также количеством импульсов тактового генератора, пришедшихся на первый такт интегрирования. Т. е. относительная погрешность оценки входного напряжения будет определяться относительной погрешностью оценки длительности первого такта интегрирования Т с помощью n импульсов.

В окончательный результат входит не мгновенное значение преобразуемого напряжения U_ВХ, а значение, усредненное за время первого такта интегрирования Т. Отсюда понятно, что если на входное напряжение U_ВХ будет наложена периодическая помеха, а время первого такта интегрирования Т будет выбрано кратным периоду этой помехи, то помеха будет полностью подавляться.

Кроме этого, помехозащищенность схемы будет обеспечиваться и тем, что во время подсчета импульсов ГТИ в промежуток времени (t₂ – t₁) преобразователь отключен от входной цепи подачи напряжения U_ВХ и поступление на вход импульсных помех, которые могли бы исказить результаты счета невозможно.

В совокупности это делает структуру развертывающего АЦП двойного интегрирования наиболее помехозащищенной по сравнению с другими преобразователями этой группы.

Для всех рассмотренных структур очевидно требование того, чтобы тактовая частота в течение времени работы АЦП оставалась постоянной. Это легко обеспечивается при использовании любого простого тактового генератора, поскольку существенные временные или температурные дрейфы частоты генераторов происходят за время несопоставимо большее, чем время преобразования.

Рассмотрев базовые структуры развертывающих АЦП, выделим теперь одно их качество, принципиально отличающее такие АЦП от преобразователей других типов. Дело в том, что одним из основных компонентов структур почти всех прочих типов АЦП является ЦАП. Наличие ЦАП в структуре любого преобразователя безусловно отражается на характеристике АЦП присутствием всех погрешностей присущих ЦАП. Среди таких погрешностей, прежде всего, обращают на себя внимание дифференциальные, как погрешности, которые наиболее сложно идентифицировать и корректировать. Вместе с тем анализ принципов построения и функционирования развертывающих АЦП показывает, что они принципиально свободны от такого рода погрешностей. На поведении характеристики развертывающих преобразователей, прежде всего, отражается поведение развертывающего элемента – интегратора. Принцип работы всех практических схем интеграторов основан на зарядке конденсатора постоянным током. Напряжение на выходе интегратора определяется напряжением на этом конденсаторе. Как известно напряжение на конденсаторе изменяться скачком не может. Это принципиально исключает наличие в характеристике развертывающих АЦП дифференциальных погрешностей. Одновременно принцип развертки, осуществляемый с помощью интеграторов, гарантирует монотонность характеристики развертывающих АЦП. Именно это позволяет, применяя достаточно простые средства, добиться при построении развертывающих АЦП такой точности, которой при сопоставимых затратах не удается добиться в АЦП других типов. В совокупности («простота + точность + монотонность») все это также определяет тот факт, что именно развертывающие АЦП преимущественно используются при создании цифровых вольтметров. Низкое быстродействие этих АЦП такому их применению не препятствует.