Тема Математическое введение в цифровую технику. 1-1

Двухтактный интегрирующий АЦП. В основу метода двухтактного интегрирования положен принцип сравнения значения интеграла амплитуды входного аналогового сигнала u_вх.(t) в определенных пределах и значения интеграла опорного напряжения U_REF в тех пределах, при которых разница этих двух интегралов дает нулевой результат. В качестве результата аналого-цифрового преобразования принимается двоичный код X, пропорциональный пределам интегрирования опорного напряжения. Математически это можно записать



.

Двоичный код может быть получен путем заполнения интервала t_инт тактовыми импульсами и подсчета их двоичным счетчиком. Для определенности пределов интегрирования такими же импульсами заполняется и интервал времени t₂-t₁. Этот интервал должен быть одинаковым при любом преобразовании и обычно выбирается соответствующим модулю счета K_сч используемого двоичного счетчика.

Упрощенная структурная схема, не раскрывающая схемы управления, представлена на рис. 9.8,а. Можно отметить отсутствие в приведенной схеме ЦАП, поскольку обе сравниваемые величины u_вх.(t) и U_REF представлены в аналоговой форме. Компаратор DA3 выполнен так, что когда выходное напряжение с интегратора, реализованного на операционном усилителе DA2, резисторе R и конденсаторе C, равно нулю, т.е. U_вых.DA2=0, то на его выходе устанавливается уровень логического нуля. Если выходное напряжение интегратора меньше нуля U_вых.DA2<0, то на выходе компаратора устанавливается логическая единица.
В исходном состоянии ключи SW1 и SW2 разомкнуты, а SW3 - замкнут. Это обеспечивает нулевое начальное напряжение на конденсаторе C и нулевое напряжение на выходе интегратора. Выполняется условие U_вых.DA2=0, на выходе компаратора формируется нулевой логический уровень, который закрывает стробирующий элемент И DD1, в результате чего импульсы с выхода генератора GN на счетчик DD2 на проходят. Преобразование начинается с подачи на вход «Start» схемы единичного импульса (момент времени t₁) (рис.9.8,б). По этому импульсу схема управления размыкает ключ SW3 и замыкает ключ SW2. В результате на вход интегратора подается амплитуда входного напряжения. Если изменение входного напряжения u_вх.(t) происходит с временем, значительно превышающим постоянную времени =RC, то можно считать входное напряжения постоянным в масштабе периода интегрирования. В этом случае на выходе интегратора напряжение начинает линейно убывать. Выполняется условие U_вых.DA2<0, на выходе компаратора формируется логическая единица, которая открывает элемент И. Тактовые импульсы с выхода генератора GN начинают поступать на счетчик.



Рис. 9.8. Структурная схема и временная диаграмма работы двухтактного интегрирующего АЦП.

После того, как будут подсчитаны К_сч импульсов, на выходе счетчика сформируется единичный уровень сигнала переноса P, по которому схема управления закроет ключ SW2 (момент времени t₂). Напряжение на выходе интегратора в момент t₂ определяется из формулы

.

Поскольку интегрирование входного напряжения прекращается сигналом переноса P счетчика, то время интегрирования Т_инт получается постоянным, независящим от амплитуды входного напряжения, а зависящим только от частоты следования тактовых импульсов и К_сч счетчика. Одновременно с закрытием ключа SW2 в момент времени t₂ схема управления открывает ключ SW1. На вход схемы начинает подаваться опорное напряжение U_REF через инвертор DA1. Напряжение на выходе интегратора не может измениться скачком, поэтому оно начинает линейно возрастать. В момент времени t₃ оно достигнет нулевого уровня U_вых.DA2=0, на выходе компаратора сформируется уровень логического нуля, который закроет элемент И, подача счетных импульсов на счетчик прекратится. Одновременно схема управления закроет ключ SW1 и откроет ключ SW3 для разряда конденсатора и приведения его в исходное состояние. На выходе счетчика зафиксируется двоичный код, пропорциональный входному напряжению. Для выходного напряжения интегратора можно записать (U_REF подается с инвертора, поэтому оно имеет отрицательный знак)

или

откуда

.

Таким образом, количество подсчитанных двоичным счетчиком тактовых импульсов в период и сформированный цифровой код Х прямо пропорционален входному аналоговому напряжению. АЦП двухтактного интегрирования, также как и АЦП последовательного счета, обладает не высоким быстродействием, поскольку выходной код формируется процессом подсчета тактовых импульсов, длительность которого зависит от амплитуды входного аналогового сигнала. Для облегчения синхронизации работы такого АЦП с другими устройствами схема управления обычно формирует сигнал «Busy», назначение которого уже было рассмотрено в прежних схемах. Между тем двухтактный интегрирующий АЦП обладает существенным достоинством. По причине интегрирования входного сигнала осуществляется фильтрация высокочастотных помех. Кроме того, период интегрирования T_инт входного напряжения можно выбрать таким, чтобы почти полностью исключить помехи с частотами, кратными 1/T_инт. Для этой цели обычно выбирается временной интервал, определяемый частотой бытовой сети. Отсюда следует, что АЦП с двойным интегрированием целесообразно применять для оцифровки аналоговых сигналов, характеризующихся сверхнизкими частотами.