На рис. 6.43 показана структурная схема простого АЦП. Параллельный выход двоичного счетчика соединен с выходом ЦАП, который вырабатывает выходное напряжение U(z) ступенчатой формы, возрастающее с увеличением числа сосчитанных счетчиком импульсов .Компаратор сравнивает это напряжение с напряжением Uвх входного аналогового сигнала. До тех пор, пока Uвх> U(z) выходное напряжение компаратора имеет высокий уровень. Как только напряжение U(z) становится выше входного напряжения Uвх, на выходе компаратора появляется низкий уровень, закрывающий вентиль И. Этот же низкий уровень служит сигналом «Конец преобразования», разрешающим считывание параллельного выходного кода, эквивалентного входному напряжению. Следующий цикл преобразования начинается после сигнала «Сброс», очищающего счетчик.
Интегрирующие АЦП не содержат ЦАП. Существует несколько разновидностей интегрирующих преобразователей, но все они основаны на пилообразном изменении выходного напряжения интегратора Uинт под воздействием соответствующих сигналов. Наиболее известным интегрирующим преобразователем является АЦП с двойным интегрированием, обобщенная блок – схема которого приведена на рис. 6.44. Вход интегратора поочередно подключается либо к земле либо к источнику входного сигнала, либо к источнику опорного напряжения, а выход – к компаратору К0, управляющему вентилем И на входе счетчика. Устройство управления управляет входным переключателем, фиксацией выходного кода и другими логическими операциями.
Как показано на рис. 6.44,б, процесс преобразования происходит в три фазы. В течение нулевой фазы происходит автоподстройка нуля (на схеме устройство не показано). В первой фазе происходит интегрирование входного напряжения Uвх в течение фиксированного интервала времени (Т1 = const). В течение второй фазы происходит интегрирование опорного напряжения Uоп, знак которого противоположен знаку входного напряжения Uвх. Продолжительность второй фазы интегрирования определяется моментом достижения выходного напряжения интегратора (Uинт) нулевого значения.
Выражение, описывающее этот принцип преобразования имеет вид:
, (6.2)
откуда
. (6.3)
Число N2 и есть цифровой эквивалент входного напряжения.
Примером такого типа преобразователя является АЦП двойного интегрирования К572ПВ2. Эта БИС предназначена для построения цифровых вольтметров, поэтому информация на выходе АЦП представляется в семисегментном коде. Цифровой отсчет производится на 3,5–декадном индикаторе.
Особым видом высокоточных АЦП можно считать ИС, генерирующие на своем выходе последовательность импульсов с частотой, пропорциональной входному аналоговому сигналу (току или напряжению). Эти ИС часто называют преобразователями «напряжение – частота» (ПНЧ). Выпускается ПНЧ К1108ПП1. Этот ПНЧ преобразует положительные и отрицательные уровни напряжения ± 10 В в импульсы прямоугольной формы с калиброванной длительностью. ИС можно применить также для преобразования частоты в напряжение (ПЧН).
6.17. Устройства выборки и запоминания аналоговых сигналов
При обработке аналоговых сигналов, изменяющихся со скоростью, соизмеримой или большей, чем скорость работы АЦП, из аналогового сигнала делают выборки. Выборка состоит в том, что мгновенные значения сигнала в определенные моменты фиксируются и запоминаются на время, необходимое для того чтобы АЦП преобразовал эти значения в цифровой код. Эту функцию выполняют устройства выборки и хранения (УВХ) аналогового сигнала. Это своего рода аналоговые запоминающие устройства.
Выходное напряжение УВХ в состоянии «выборка» («слежение») должно быть точно равно входному. В состоянии «хранение» («запоминание») Uвых должно оставаться таким, каким оно было в момент отключения входа аналогового сигнала. Для этого, как показано на рис. 6.45,а, можно использовать конденсатор С, заряжаемый через последовательный ключ (VT1) до величины входного напряжения Uвх . При закрывании транзистора VT1 напряжение на конденсаторе С остается неизменным, если будет отсутствовать разрядный ток. Поэтому выходной повторитель напряжения (А2) должен иметь полевой транзистор на своем входе. Качество УВХ характеризуется скоростью изменения выходного напряжения в режиме хранения
(6.4)
где Iу – ток утечки, разряжающий конденсатор.
При заданном токе утечки скорость изменения фиксируемого напряжения можно уменьшить путем увеличения емкости С. Однако это увеличит время установления tуст напряжения на конденсаторе в фазе считывания входного напряжения.
Дополнительным источником погрешности является то, что из–за конечного значения емкости затвор–канал (Сзк) при запирании транзистора VT1 от конденсатора отбирается некоторый заряд. Это обусловливает величину погрешности фиксации напряжения
. (6.5)
Так как Сзк составляет несколько пикофарад, величина запоминающей емкости С должна быть не менее 1 нФ, чтобы погрешность была около 0,1%.
Другой
важной характеристикой УВХ является апертурная задержка ta. Она
определяется как время задержки между моментом подачи сигнала «хранение» и
фактическим запиранием транзистора VT1 последовательного ключа. Эта задержка
подвержена значительным флюктуациям, которые называются ошибкой запаздывания 
(апертурной
ошибкой).
Характеристики УВХ улучшаются путем введения общей отрицательной обратной связи, охватывающей всю схему (рис. 6.45,б). В состоянии «выборка» напряжение на выходе повторителя А1 устанавливается таким, что Uвых = Uвх . При этом напряжение смещения, возникающее из-за наличия ключа (VT1) и выходного повторителя (А2) сводится к нулю. Диоды VD2 и VD3 в этом состоянии не открываются, так как к ним приложено напряжение U1 – Uвых , равное небольшому смещению на VT1 и А2. После запирания транзистора VT1 выходное напряжение остается неизменным. Резистор R2 и диоды VD2 и VD3 предотвращают насыщение операционного усилителя А1 в этом состоянии схемы. Эта цепь необходима для того, чтобы нормировать время tуст при осуществлении очередной выборки.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.