Аналого - цифрові перетворювачі

У всі математичні вирази, що наведені вище, входить не миттєве значення напруги, а значення, усереднене за час t1. тому, чим вище частота перешкоди, тим більше ослаблення перешкоди.

 

 

На базі перетворювачів напруга-частота (ПНЧ) можуть бути побудовані інтегруючі АЦП, що забезпечують високу точність перетворення. Існує декілька типів ПНЧ. Найбільше застосування одержали ПНЧ з заданою тривалістю вихідного імпульсу. Структурна схема такого ПНЧ наведена на рис. 12. По цій схемі побудована вітчизняна мікросхема КР1108 ПП1.

Під дією позитивного вхідного сигналу Uвх напруга Uи на виході інтегратора И зменшується. При цьому ключ S розімкнений. Коли напруга Uи зменшується до нуля, компаратор К перемикається та запускає одновібратор. Той формує імпульс стабільної тривалості Ти, який керує ключем. Послідовність цих імпульсів є вихідним сигналом ПНЧ. Ключ замикається, струм Іоп на протязі Ти поступає на вхід інтегратору, призводячи до збільшення вихідної напруги інтегратору. Далі процес повторюється.

 

Рис. 12. Схема перетворювача напруга-частота

Імпульси струму Іоп зрівноважують струм, що викликається вхідною напругою Uвх. У сталому режимі

 .

Звідки: f = 1/T = Uвх. сер/RIопТи,

де Uвх. сер – середнє значення вхідної напруги за період Т.

Цей вираз показує, що точність перетворення визначається точністю установки опорного струму Іоп, точністю витримки тривалості імпульсу одно вібратора Ти, а також точністю резистора R. Ємність інтегратора на впливає на частоту ПНЧ. таким чином, ПНЧ перетворює вхідну напругу в унітарний код. Для його перетворення у двійковий позиційний можна використовувати лічильник. Схема інтегруючого АЦП на базі ПНЧ наведена на рис. 1

 

Рис. 1 Схема інтегруючого АЦП на базі ПНЧ

Двійковий лічильник підраховує кількість імпульсів, що поступила від ПНЧ за період Твідл = 1/fвідл, що задається відліковими імпульсами. котрими вміст лічильника заноситься у вихідний регістр. За цим проводиться скидання лічильника. Кількість імпульсів n, що підраховані лічильником за час Твідл:

n = Т відл Uвх сер. /Ти RIоп.

Тут Uвх. сер – середнє значення вхідної напруги за увесь період Твідл.

Можна помітно підвищити точність ПНЧ, якщо замість одновібратору підключити D-трігер, що тактується імпульсами стабільної частоти.

 

 

АЦП багатократного інтегрування мають багато недоліків. По-перше нелінійність перехідної статичної характеристики операційного підсилювача, на якому зроблений інтегратор, помітно визначається на характеристиці перетворення АЦП з високим розділенням. Для зменшення впливу цього фактору АЦП виготовляють багатоактними. Наприклад 13-розрядний AD7550 виконує перетворення у 4 такти. Іншим недоліком цих АЦП є та обставина, що інтегрування вхідного сигналу займає у циклі перетворення тільки приблизно третину. Дві третини циклу перетворювач не приймає вхідний сигнал. Це погіршує властивості АЦП щодо придушення спотворень. По-третє АЦП багатотактного перетворення повинен мати досить багато наріжних резисторів та конденсаторів з високоякісним діелектриком, що значно збільшує місце, що займає перетворювач на платі.

Ці недоліки усунуті у сигма-дельта АЦП. У цих АЦП є два головних блоки: суматор та інтегратор. Один з принципів у цих перетворювачах, що дозволяє зменшити погрішність, що вноситься спотвореннями – це усереднення результатів вимірів на великому інтервалі часу.

Головні вузли АЦП – сігма-дельта модулятор та цифровий фільтр. Схема N- розрядного сігма-дельта модулятора першого порядку наведена на рис. 14.

 

Рис. 14. Сігма-дельта модулятор першого порядку

 

Робота цієї схеми заснована на відніманні з вхідного сигналу Uвх (t) величини сигналу на виході ЦАП, що здійснена а попередньому такті роботи схеми. Одержана різниця інтегрується, а потім перетворюється у код паралельним АЦП невеликої розрядності. Послідовність кодів поступає на цифровий фільтр нижніх частот.

Порядок модулятора визначається кількістю інтеграторів та суматорів в його схемі. Сігма-дельта модулятори N-го порядку мають N суматорів та N інтеграторів та забезпечують більше співвідношення сигнал-спотворення при тій же частоті відліків, що і модулятори першого порядку. Прикладами сігма-дельта модуляторів високого порядку є одноканальний AD7720 сьомого порядку. Найбільш широко у складі інтегральних мікросхем використовуються однобітні сігма-дельта модулятори, в яких у якості АЦП використовується компаратор, а в якості ЦАП – аналоговий комутатор – рис. 15.

 

Рис. 15. Сігма-дельта АЦП першого порядку

 

На відміну від АЦП з перетворювачами напруга – частота сігма-дельта модулятор синхронізований тактовою частотою fтакт. Вихідний сігма-дельта модульований сигнал є послідовність одиничних та нульових посилок, тривалість яких  = 1/fтакт, а загальна частота – fтакт. При цьому частота одиничних посилок є частотою модулятора і пропорційна модулюючому аналоговому сигналу.

Частота тактових імпульсів вибирається з розрахунку fтакт = fдКдец, де Кдец – коефіцієнт децимації, зниження частоти відліків до значення частоти дискретизації fд при наступному цифровому перетворенні. В найпростішому випадку Кдец = 2N, де N – розрядність формованого цифрового сигналу. Згідно з теоремою Котельникова, для дискретизованого сигналу з верхньою частотою спектру fc повинна виконуватись умова fc < fд/2. Ця умова розповсюджується не тільки на корисний сигнал, але і на супроводжуючі його спотворення. Тому на вході звичайних АЦП встановлюють фільтр нижніх частот.

Для сігма-дельта модулятора тактова частота fт є частотою дискретизації його