Интегрирующие АЦП (Dual Slope)
Своим названием преобразователи этого класса обязаны наличию у них интегратора. Ведущие мировые производители обычно выпускают подобные АЦП только с двойным циклом интегрирования. Отсю-
да и название в заголовке Dual Slope (двойное интегрирование). Функционирование АЦП с двойным интегрированием поясняют рис. 2 и 3.
Принцип работы этих преобразователей — измерение времени интегрирования, которое линейно зависит от величины входного аналогового сигнала (см. рис. 3). Из этого следует, что время преобразования интегрирующих АЦП является переменным и определяется входным напряжением. Максимальное значение времени преобразования соответствует максимальному входному напряжению. К сожалению, максимальная частота выборки интегрирующих преобразователей не превышает 50 кГц.
Отличительной особенностью метода двойного интегрирования является то, что ни тактовая частота, ни постоянная интегрирования RC практически не влияют на результат. Необходимо только, чтобы тактовая частота в течение времени t1+t2 оставалась постоянной. Это можно обеспечить при использовании простого тактового генератора, поскольку существенные временные или температурные дрейфы частоты происходят за время несопоставимо большее, чем время преобразования.
Преобразователи этого типа имеют сравнительно низкое
быстродействие, но благодаря своей простоте и низкой цене они находят широкое применение в цифровых вольтметрах, предназначенных для работы с постоянными и медленно меняющимися напряжениями. Еще один недостаток этих АЦП — высокие требования к качеству интегрирующего конденсатора. В настоящее время выпускаются приборы, работающие как от однополярного, так и от двупо-лярного напряжения питания. Автономные измерительные приборы с такими АЦП могут работать от одного элемента питания в течение нескольких лет. В производственной линейке MAXIM есть интегрированные схемы преобразования с дешифраторами и преобразователями для семисегментных индикаторов, в основе которых обычно используются интегрирующие АЦП.
SAR АЦП (ПОРАЗРЯДНОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ)
В литературе SAR (Successive-Approximation Register) АЦП часто называют АЦП последовательного приближения (просьба не путать с последовательными АЦП или с АЦП последовательного счета).
В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от ее возможного максимального значения. Это позволяет для N-разрядного АЦП поразрядного уравновешивания выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105...106 и более преобразований в секунду. Точность и быстродействие таких АЦП определяются в основном метрологическими характеристиками внутреннего ЦАП и технологией производства. Разрешение SAR
АЦП фирмы MAXIM составляет 10.16 разрядов при быстродействии 75...250 ksps (тысяч выборок в секунду). Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и
находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов. С преимуществами, недостатками и примерами наименований некоторых АЦП этого класса можно еще раз ознакомиться в таблице 1.
СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП
Рис. 5. Структурная схема основных каскадов сигма-дельта АЦП
Своим названием эти преобразователи обязаны наличием в них двух блоков: дифференциального усилителя (A) и интегратора (Ё). Один из принципов, заложенных в таких преобразователях, позволяет уменьшить погрешность, вносимую шумами. При этом возрастает разрешающая способность за счет усреднения результатов измерения на большом интервале времени. Основные узлы АЦП — это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр, показанные на рис. 5. Работа схемы основана на вычитании из входного сигнала величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот. Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Наиболее широко в составе ИМС используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП — аналоговый коммутатор. Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеют развитую цифровую часть, включающую
микроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего контроллера. Сложные методы цифровой обработки и фильтрации обеспечивают очень высокую разрешающую способность (до 24 разрядов) и большой динамический диапазон за счет подавления интерференции и усреднения шума. В последние годы появились сигма-дельта АЦП с очень высоким быстродействием при разрешении 16 разрядов и более. Избыточная дискретизация в этих преобразователях обеспечивает повышенное отношение сигнал/шум. Эта архитектура все больше привлекает разработчиков своим соотношением цена/качество.
|
