АЦП с двойным интегрированием

Схема АЦП приведена на рис. 8.9, а.

Рис. 8.9. Структурная схема АЦП с двойным интегрированием

Рассмотрим работу преобразователя. В момент  (рис. 8.9, б) подачей импульса  в цепь «Пуск» осуществляется запуск схемы: сбрасывается в 0 счетчик Сч, первый ключ Кл1 устанавливается в замкнутое состояние, второй ключ Кл2 – в разомкнутое.

Предварительно разряженный конденсатор  начинает заряжаться током от источника входного напряжения . Так как входное напряжение операционного усилителя (ОУ) близко к нулю, практически все напряжение  падает на резисторе  и ток в цепи резистора . Этот ток замыкается через конденсатор . Если за время длительности импульса  () значение напряжения  считать неизменным, конденсатор будет заряжаться постоянным током и напряжение на нем будет изменяться по линейному закону, достигая к моменту  значения

.                                                                                 (8.15)

В момент окончания импульса на входе «Пуск» (в момент ) счетчик начинает счет импульсов, поступающих в него из генератора импульсной последовательности (ГИ) через элемент И. В этот же момент ключ Кл1 устанавливается в разомкнутое состояние, ключ Кл2 – в замкнутое. В цепи конденсатора возникает ток обратного направления . Конденсатор разряжается постоянным током , и напряжение на нем снижается по линейному закону. В момент  напряжение на конденсаторе  и напряжение на выходе операционного усилителя  проходят нулевое значение, на выходе компаратора К устанавливается уровень логического 0, прекращается прохождение импульсов ГИ через элемент И на вход счетчика Сч. Образующееся к этому моменту в Сч число  есть значение , представленное в цифровой форме.

Определим значение . Время разряда конденсатора

.                                                                                 (8.16)

Подставляя выражение для , получаем

.                                                                                                  (8.17)

Если период следования импульсов ГИ равен , то количество импульсов , поступающих в счетчик за время , определится выражением

.                                                                      (8.18)

Как видим,  пропорционально . Величина

                                                                                                 (8.19)

определяет масштаб, в котором представляется значение .                  

8.4.3. АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования)

Данный тип АЦП реализует метод непосредственного считывания и является на сегодняшний день самым быстродействующим. Классический принцип его работы поясняется рис. 8.10. Устройство содержит  компараторов , на объединенные инвертирующие входы которых подается входной преобразуемый сигнал. На неинвертирующие входы подаются напряжения, численно равные уровням квантования . В результате с выходов компараторов снимается параллельный -разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования по величине меньших значений .

Полученный единичный код подается на вход преобразователя кода (ПК), в котором он преобразуется в двоичный с числом разрядов . С выхода ПК двоичный код через логические переключатели на элементах 2И подается на вход статического регистра, с выхода которого он и считывается. Перезапись кода ПК в статический регистр происходит по сигналу «Запись». Этот сигнал подается в схему после того, как все переходные процессы, связанные со срабатыванием компараторов и получением двоичного кода, завершены.

Рис. 8.10. Структурная схема АЦП параллельного преобразования

Для получения напряжений, равных уровням квантования в схеме использован делитель напряжения на  одинаковых резисторах, подключенных к выходу источника эталонного напряжения . Формирование в данном АЦП выходного кода одновременно по всем разрядам предполагает получение максимально возможного быстродействия. Его время преобразования определяется только структурой ПК и собственным быстродействием используемой элементной базы.

8.4.4. АЦП последовательного счета (развертывающего типа)

Принцип работы АЦП последовательного счета со счетчиком рассмотрим с использованием структурной схемы, показанной на рис. 8.11. Устройство содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ), выход которого подключен к первому входу элемента 2И DD1. Выход элемента 2И соединен со счетным входом счетчика DD2, поразрядные выходы которого соединены с входами ЦАП. Выход ЦАП подключен к инвертирующему входу безгистерезисного компаратора DA, к неинвертирующему входу которого подключается источник входного напряжения, преобразуемого в код. Выход компаратора соединен со вторым входом элемента 2И DD1.

Рис. 8.11. Структурная схема АЦП последовательного счета

Работает АЦП следующим образом. В исходном состоянии на вход установки в нуль счетчика DD2 подан активный логический сигнал. Счетчик сброшен. Его выходной код равен нулю. Равно нулю и выходное напряжение ЦАП. Поэтому, если , то на выходе компаратора присутствует сигнал логической 1 и тактовые импульсы с выхода ГТИ через элемент 2И DD1 поступают на вход C счетчика. Однако, так как сигнал на входе сброса R равен 0, выходной код счетчика также равен нулю.

Преобразование начинается в момент снятия со входа R активного логического сигнала (импульса «Пуск»). В этом случае с приходом каждого тактового импульса с выхода ГТИ счетчик выполняет операцию инкремента. Его выходной код начинает увеличиваться. Соответственно увеличивается и выходное напряжение ЦАП. Этот процесс продолжается до тех пор, пока выходное напряжение ЦАП не превысит величину . В этот момент компаратор DA сформирует на выходе сигнал логического 0. В результате на выходе элемента 2И DD1 также будет сформирован сигнал логического нуля и увеличение выходного кода счетчика прекратится. При этом значение выходного кода счетчика будет прямо пропорционально входному напряжению  и обратно пропорционально абсолютной разрешающей способности используемого ЦАП

.                                                                                                  (8.20)

Так как выходное напряжение ЦАП имеет форму ступенчатой функции, то напряжение , найденное из (8.11), должно быть округлено до ближайшего целого числа, соответствующего номеру первого уровня , превышающего значение . Для повторения цикла преобразования необходимо импульсом «Пуск» счетчик установить в нуль.

Очевидно, что время преобразования в рассмотренном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов ГТИ ()

.                                                                               (8.21)

Рассмотренный режим работы называется циклическим, так как каждый раз импульс «Пуск» сбрасывает счетчик DD2 и поэтому счет (преобразование) всегда начинается с нуля.

АЦП следящего типа

Если в АЦП использовать реверсивный счетчик, то можно реализовать нециклический режим работы, характеризующийся более высоким быстродействием. В этом случае на выходе счетчика постоянно присутствует код, пропорциональный текущему значению входного напряжения. Структурная схема АЦП, реализующего нециклический режим работы, показана на рис. 8.12.

Рис. 8.12. Структурная схема АЦП следящего типа

В отличие от АЦП, работающего в циклическом режиме, в схему дополнительно введены инвертор DD4 и еще один элемент 2И DD3.

 Исходное состояние схемы аналогично состоянию циклического АЦП. Счетчик DD2 сброшен. Выходное напряжение ЦАП  и на вход «+1» счетчика DD2 поступает последовательность выходных импульсов ГТИ. При снятии активного логического уровня с входа R счетчика его выходной код начинает увеличиваться. Увеличивается и выходное напряжение ЦАП. Этот процесс протекает до момента  (рис. 8.13), в котором . Срабатывание компаратора DA приводит к тому, что на выходе элемента 2И DD1 формируется пассивный для входа «+1» счетчика DD2 сигнал. Одновременно инвертор DD4 формирует на нижнем входе элемента DD3 сигнал логической 1. В результате этого на вход «–1» счетчика DD2 начинают поступать импульсы ГТИ. При этом счетчик выполняет операцию декремента и его выходной код начинает уменьшаться. Уменьшается и напряжение WFG. В момент нарушения неравенства  происходит очередное переключение компаратора DA и счетчик начинает увеличивать свой выходной код.

Рис. 8.13. Временная диаграмма входного напряжения компаратора АЦП следящего типа

Таким образом, с момента прихода импульса «Пуск» до момента  АЦП последовательного счета и следящего типа работают одинаково. Однако после  выходной код нециклического АЦП постоянно следит за изменением входного напряжения, что значительно снижает его время преобразования.

Общим недостатком рассмотренных схем является длительность интервала , в течение которого выходной код счетчика должен достичь значения, эквивалентного входному напряжению. Причем увеличение точности требует увеличения разрядности используемых счетчика и ЦАП и ведет к падению быстродействия рассмотренных устройств.