Аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования

Недостатком всех АЦП (за исключением АЦП с преобразованием напряжения в частоту) является их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность, как правило, на уровне 8−10 разрядов. От этого недостатка свободны АЦП интегрирующего типа, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного сигнала за фиксированный интервал времени.

Одним из наиболее распространенных вариантов такого преобразователя является АЦП двойного (двухтактного) интегрирования, схема которого приведена на рис. 11.67. Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом такте импульс запуска, воздействуя на триггер DD1, открывает ключ S1, после чего преобразуемый сигнал и_вх отрицательной полярности подается на вход интегратора на ОУ DA1. На неинвертирующий вход компаратора DA2 подается выходное напряжение интегратора п_инт, а на инвертирующий — нулевое напряжение. Поскольку в начальный момент времени Ц (рис. 11.68) напряжение интегратора равно нулю, компаратор DA2 срабатывает и перебрасывает триггер DD3 в состояние лог.1, в результате чего открывается логический элемент «И» DD4 и импульсы генератора G начинают поступать на счетчик DD5. Интегрирование напряжения п_вх производится за фиксированный интервал времени.

Рис. 11.66. Временное диаграммы работы АЦП поразрядного уравновешивания.

Рис. 11.67. Схема АЦП двойного интегрирования.

Выходное напряжение интегратора на интервале времени Т (t_x—1₂) определяется выражением.

где и_ит — среднее значение входного сигнала и_вх на интервале времени (Ц—t₂).

Конец интервала Т фиксируется счетчиком DD5, который в момент времени t₂ выдает импульс переполнения, который сбрасывает RS-триггер DD1 и устанавливает RS-триггер DD2. При этом ключ S1 закрывается, ключ S2 открывается и начинается второй такт работы преобразователя. На вход интегратора теперь поступает опорное напряжение U_on имеющее обратную (положительную) полярность по отношению к н_вх. Начиная с момента времени t₂ счетчик DD5 вновь заполняется импульсами с генератора импульсов G, а напряжение на выходе интегратора (рис. 11.68) уменьшается по закону.

и в момент времени t₃ и_инт становится равным нулю. Компаратор возвращается в исходное положение и по инверсному выходу перебрасывает триггеры Г2 и ТЗ в нулевое состояние. При этом напряжение U_on отключается от входа интегратора, а сигнал с выхода ТЗ запрещает подачу импульсов генератора G на счетчик. В результате в счетчике фиксируется числовой код.

где Т_х = t₃ — t₂.

С учетом (11.5) и (11.6) получаем:

Подставив в это выражение (11.4) и (11.7), находим:

т.е. выходной код АЦП пропорционален входному напряжению (его среднему значению).

Интегрирование входного сигнала в рассмотренном АЦП приводит к его усреднению и сглаживанию (ослаблению) всех быстрых по сравнению со временем интегрирования Т помех, наводок и шумов. Использование двухтактного интегрирования позволяет компенсировать ряд составляющих статической погрешности, вызванных нестабильностью порога срабатывания компаратора, постоянной времени интегратора, тактовой частоты. В АЦП двойного интегрирования высокую стабильность должен иметь только разрядный ток (или источник опорного напряжения).

Рис. 71.68. Временное диаграммы работы АЦП двойного интегрирования В самых точных преобразователях циклу преобразования предшествует цикл «автокоррекции нуля», во время которого на вход преобразователя подается нулевой сигнал. Поскольку в циклах измерения и автокоррекции используются одни и те же интегратор и компаратор, то, вычитая результат, полученный в цикле автокоррекции, из последующего результата измерения, получают эффективное снижение погрешностей на начальном участке шкалы преобразования.

Быстродействие рассмотренного АЦП невелико, при заданном числе разрядов оно определяется частотой счетных импульсов/_сч = 1/Д?_сч. Выбор последней ограничивается в основном временем включения компаратора.

Данные АЦП реализуются на основе интегральной технологии. Например, ИМС ll-разрядного АЦП К572ПВ2 представляет собой преобразователь на 3,5 десятичных разряда, работающий по принципу последовательного счета с двойным интегрированием, с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Микросхема представляет собой электронную часть цифрового вольтметра, измеряющего входной сигнал до ±1,999 В и ±199,9 мВ. Время цикла преобразования при тактовой частоте/_т = 50кГц равно 300 мс.