Методические указания к лабораторной работе №4 Новосибирск (стр. 4 из 6)

Аналого-цифровые преобразователи на основе метода поразрядного уравновешивания (другое название – АЦП последовательного приближения; SAR-ADC: Successive Approximation Register ADC) в течение десятилетий остаются основным и наиболее используемым преобразовательным устройством среди всех типов АЦП. Хорошо сбалансированный по таким трудно совместимым показателям, как разрядность/быстродействие, технологическая сложность/разрядность, потребляемая мощность/быстродействие, этот преобразователь почти всегда рассматривается первым кандидатом для использования в большинстве разработок.

Рис. П1. Структурная схема АЦП поразрядного уравновешивания

Этот принцип применительно к преобразовательным устройствам был предложен в 1946 г. Прототип устройства был сделан на лампах и всего лишь продемонстрировал правильность принципа. На рис. П1 показана структурная схема, поясняющая принцип работы аналого-цифрового преобразователя. Уравновешивание начинается с запоминания мгновенного значения сигнала (выборки сигнала; предположим, Х = 21) в устройстве выборки хранения (УВХ = SHA – Sample & Hold Amplifier). На первом такте компаратор сравнивает значение сигнала с напряжением ЦАПа, равным E_ref/2, где E_ref – шкала преобразователя. Если сигнал больше напряжения ЦАПа, то в старший разряд выходного регистра записывается 1, а напряжение ЦАПа так и остаётся равным E_ref/2 (оставляем Х = 16). На следующем такте к нему добавляется E_ref/4, происходит новое сравнение (с Х = 16 + 8) и компаратор определяет значение очередного разряда (= 0, оставляем Х = 16 + 0) и т. д., пока все разряды не будут определены. Понятно, что для N‑разрядного преобразования необходимо N тактов. На рис. П2 представлена временная диаграмма, откуда становится понятным, почему одно из названий алгоритма – последовательное приближение.

Параметры АЦП в первую очередь определяются свойствами цифро-аналогового преобразователя: быстродействием и точностью его работы, а также – качеством работы устройства выборки‑хранения и компаратора. В современных АЦП поразрядного уравновешивания, выполненных по технологии с переключаемыми конденсаторами, устройство выборки-хранения и ЦАП совмещены. За счёт высокого качества современных фотолитографических процессов удаётся выдержать двоичное соотношение разрядов ЦАПа, образованных конденсаторами, до значений 1/2¹⁸. Поэтому разрядность современных АЦП поразрядного уравновешивания, выполненных по технологии с переключаемыми конденсаторами, достигает 18 при времени преобразования 1,2 мкс.

Рис. П2. Временная диаграмма работы SAR ADC. В процессе преобразования напряжение ЦАПа всё точнее приближается к входному

«Считающие» преобразователи обязательно содержат счётчик, а выходной код получается в результате подсчёта импульсов, частота или количество которых определяются входным сигналом.

Наиболее известным и распространённым представителем этого типа преобразователей является АЦП, использующий классический метод двухтактного интегрирования. Первые работы, в которых предлагался этот метод, относятся к 1957–60 гг. В СССР метод предложен в 1960 г. В. Г. Беляковым и Е. В. Добровым [2]. Так же, как метод поразрядного уравновешивания, является фундаментом для всех универсальных АЦП. Так, метод двухтактного интегрирования и его модификации являются основой для построения прецизионных медленных АЦП и цифровых вольтметров.

Структурная схема устройства показана на рис. П3, а диаграмма, поясняющая принцип действия, – ниже на этом же рисунке. Метод двухтактного интегрирования основан на преобразовании входного сигнала во временной интервал. Сначала входное напряжение подключается через ключ SW1 к входу интегратора на время Т. После окончания интегрирования входного сигнала к входу интегратора подключается опорное напряжение противоположной полярности по отношению к интегралу от входного сигнала. Компаратором фиксируется момент времени tХ, когда величина напряжения на выходе интегратора достигнет начального (нулевого) значения. Из условия равенства зарядов на емкости

, получим

Рис. П3. Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования и временная диаграмма его работы при постоянном входном напряжении

Таким образом, результат интегрирования зависит только от величины опорного напряжения и времени его интегрирования и не зависит от величины номиналов резистора R и емкости С, что, собственно, и даёт возможность добиться высокой точности от такого преобразователя. Если входное напряжение постоянно (Vin = const), то, используя один и тот же тактовый генератор для организации интервала Т и подсчёта t_x, можно исключить требование к стабильности частоты тактового генератора:

→

, откуда

где N – количество тактов на этапе интегрирования, N_x – измеренное значение, τ – длительность такта. Как видно, результат не зависит от τ.

Есть и ещё одно привлекательное качество АЦП двухтактного интегрирования – эффективное подавление высокочастотных и сетевых помех. Можно получить формулу, описывающую выходной сигнал интегратора при подаче на его вход синусоидального сигнала с амплитудой E₀ и частотой F:

где Т – время интегрирования.

Нетрудно заметить, что с ростом частоты сигнала амплитуда на выходе падает, как 1/F, и, кроме того, при F = k/T (k = 1,2,…) обращается в 0. Таким образом, если время интегрирования сделать кратным периоду сети, то будет достигнуто отмеченное выше подавление сетевых помех.

Рис. П4. Частотная зависимость амплитуды выходного сигнала интегратора с временем интегрирования Т

Частотная зависимость амплитуды выходного сигнала интегратора показана на рис. П4. Именно этим обстоятельством объясняется широкое применение этих устройств в прецизионных системах питания электрофизических установок. Следует учесть также и относительно небольшие аппаратные затраты для построения интегрирующего АЦП, в результате чего аналоговая часть может быть сделана гальванически изолированной, «плавающей». Вследствие этого появляется возможность организации многоканальных, прецизионных измерительных систем с территориально разнесёнными источниками сигналов, что весьма актуально на крупных физических комплексах, а также при измерениях магнитных полей с помощью датчиков Холла.

Интегрирующие АЦП широко используются для измерения постоянных или медленно меняющихся напряжений и токов и являются основой прецизионных вольтметров. Кроме того, интегрирование входного сигнала в данном типе преобразователя даёт возможность применить его для измерения постоянных магнитных полей с помощью перемещаемых катушек.

Второй, хорошо известный преобразователь из группы «считающих АЦП» – это устройство, преобразующее напряжение в частоту (Voltage-to-Frequency Converter – VFC). Его работа также основана на интегрировании сигнала, вследствие чего он хорошо измеряет «зашумлённые» сигналы и может быть сделан достаточно точным. Наиболее известны два схемотехнических решения преобразования напряжения в частоту: управляемый током мультивибратор (current‑steering multivibrator) и преобразователь с уравновешиванием заряда (charge‑balance converter).

Рис. П5. Блок-схема преобразователя с уравновешиванием заряда

Более точным является второй тип преобразователя напряжения в частоту. Его блок-схема показана на рис. П5. Входной сигнал подаётся на интегратор и при достижении им порога, с конденсатора отбирается строго определённый заряд, определяемый генератором тока и длительностью его подключения. Входной сигнал интегрируется без пауз, таким образом, заряд не теряется, что даёт возможность увеличивать разрядность при удлинении времени счёта. В современных устройствах длительность подключения генератора тока задаётся цифровым одновибратором (precision one-shot), поэтому и точность, и разрешающую способность удаётся довести до уровня 18 бит.

Есть два важных качества преобразователей напряжение‑частота, которые крайне полезны в физических приложениях. На первое мы уже обращали внимание – возможность увеличения разрядности при увеличении времени счёта. Это свойство активно используется в магнитометрах (Fluxmeters), измеряющих сигналы с перемещаемых в магнитном поле катушек, поскольку позволяет достигать времени интегрирования/перемещения в десятки секунд.