/= const

ванный интервал (л/бОс) Рис. 9.44. Цикл двухстадииного АЦП.

паратора. На рис. 9.44 иллюстрируется идея метода. Сначала конденсатор в течение фиксированного промежутка времени заряжается током, точно пропорциональным входному сигналу, после чего он разряжается постоянным током до тех пор, пока напряжение на нем снова не станет равным нулю. Время разряда конденсатора пропорционально значению входного сигнала и используется для подсчета тактовых импульсов фиксированной частоты при помощи счетчика. Полученное число, пропорциональное входному уровню, является выходным цифровым сигналом.

Метод двухстадийного интегрирования позволяет получить высокую точность, не предъявляя чрезмерно высоких требований к стабильности компонентов. В частности, здесь нет надобности иметь высокостабильный конденсатор, поскольку скорость изменения его напряжения как на стадии заряда, так и разряда обратно пропорциональна емкости С. Более того, дрейф или сдвиг шкалы компаратора самокомпенсируется, так как каждая стадия преобразования начинается и заканчивается при одном и том же напряжении, а зачастую и с одним и тем же наклоном. В самых точных преобразователях циклу преобразования предшествует цикл автокоррекции нуля , во время которого на вход преобразователя подается нулевой сигнал. Так как в обоих циклах используются те же самые интегратор и компаратор, то, вычитая результат, полученный в цикле автокоррекции , из последующего результата измерения, получают эффективное снижение погрешностей в начальном участке шкалы преобразования. Однако погрешности по всей шкале при этом не корректируются.

Заметим, что при использовании метода двухстадийного интегрирования даже к стабильности тактовой частоты не предъявляются высокие требования. Дело в том, что на первой стадии фиксированный интервал интегрирования получают делением частоты тех же самых тактовых импульсов, которые используются при счете. Если тактовая частота снизится на 10%, то на 10% повысится уровень, которого достигает линейно нарастающее напряжение на первой стадии, и соответственно на 10% увеличивается время разряда. Так как последнее отсчитывается с помощью тех же тактовых импульсов, частота которых снизилась на 10%, то окончательное число получится неизменным! В двухстадийном преобразователе с внутренней автокоррекцией нуля высокую стабильность должен иметь только разрядный ток. Прецизионные эталонные источники тока и напряжения получить достаточно легко, причем в этом типе преобразователя при помощи регулировок эталонного тока задается коэффициент преобразования.

Глава'9

Двухстадийное интегрирование широко применяется в прецизионных цифровых мулътиметрах, а также в преобразовательных модулях с разрешающей способностью of 10 до 18 бит. В некритичных к быстродействию применениях этот способ обеспечивает хорошие характеристики точности и стабильности при низкой стоимости и обладает высокой помехоустойчивостью к сетевым наводкам и прочим помехам. Используя преобразователь, основанный на этом способе, вы всегда получите наивысшую точность при заданных затратах. С увеличением входного сигнала выходной код растет строго монотонно.

Дельта-сигма-преобразователи. Существует несколько методов А/Ц-преобразования, основанных на компенсации входного (среднего) тока коммутируемым зарядом или током внутреннего источника. Функциональная схема дельта-сигма-преобразователя приведена на рис. 9.45,

Ключ на полевом транзисторе

(отрицательное) /?

Рис. 9.45. Дельта-сигма-АЦП с уравновешиванием заряда.

Входное напряжение подается на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением, например с нулем. Импульсы тока фиксированной длительности (то есть с фиксированным приростом заряда) на каждом такте подключаются, в зависимости от состояния выхода компаратора, либо к суммирующей точке интегратора, либо к земле. В суммирующей точке поддерживается нулевой средний ток, то есть преобразование основано на принципе уравновешивания. Счетчик подсчитывает количество импульсов, которые поступают на суммирующую точку за интервал времени, определяемый путем отсчета заданного числа тактовых импульсов, на-

пример 4096. Число, полученное в счетчике за это время, пропорционально среднему значению входного сигнала и может быть использовано в качестве выходного кода.

В дельта-сигма-преобразователях для формирования импульсов тока также можно использовать резистор и стабилизированный источник опорного напряжения, поскольку суммирующая точка фактически находится под потенциалом земли. В этом случае необходимо убедиться, что сопротивление замкнутого ключа меньше сопротивления резистора и изменения сопротивления ключа не вызовут дрейфа,

АЦП с коммутируемым конденсатором. К методу уравновешивания заряда тесно примыкает метод дозированного заряда с запоминающим конденсатором , или метод коммутируемого конденсатора . Этот метод заключается в следующем: сначала путем периодического заряда от стабилизированного источника опорного напряжения на конденсаторе запасается фиксированное количество электричества, после чего конденсатор разряжается на суммирующую точку. Как и в предыдущем случае, к выходу интегратора подключен компаратор, который управляет частотой переключения конденсатора. Выходной код формируется путем подсчета этой частоты на фиксированном интервале времени. Этот метод хорош для схем, в которых исподьзуется один источник питания, поскольку действующая полярность заряда, который передается от конденсатора в суммирующую точку, может быть изменена с помощью соответственно подключенных ключей на полевых транзисторах (т. е. путем коммутации обеих обкладок конденсатора).

Примером устройства, чспользующего описанный метод, является преобразователь напряжения в частоту типа LM331, характерное преимущество которого заключается в том, что он работает от одного источника питания +5 В. В разд. 4.13 показано, как этот преобразователь используют в качестве генератора, управляемого напряжением.

Замечания по поводу интегрирующих АЦП. При использовании метода двухстадийного интегрирования, а также всех методов уравновешивания заряда входной сигнал усредняется на фиксированном интервале времени. По этой причине данные методы обеспечивают нечувствительность к сетевым наводкам как основной частоты, так и ее гармоникам. Методц уравновешивания заряда в основном точны и недороги (для них, в частности, требуется высокочастотный компаратор) и обеспечивают строго монотонные выходные характеристики. Однако по сравнению с методом последовательного приближения эти методы не отличаются высоким быстродействием. Так, например, преобразователь ADC100 фирмы Burr Brown при разрешающей способности 16 бит обеспечивает время преобразования 200 мс, его стоимость 200 долл. Для сравнения: 16-разрядный преобразователь последовательного приближения ADC-160 фирмы Analog Devices временем преобразования 400 мкс стоит 1720 долл. В методах ком-

мутируемого конденсатора и дельта-сигма-преобразования в отличие от двойного интегрирования исполь2;уются компараторы низкой точности, которые подключают к выходам интеграторов, однако эти методы требуют точных схем коммутации заряда, В то же время двухста-дийные методы нуждаются в высокой воспроизводимости характеристик компараторов, но не предъявляют таких высоких требований к ключам, по крайней мере в отношении быстродействия и инжекции заряда.

Отметим одну интересную особенность интегрирующих методов (одно- и двухстадийное интегрирование и уравновешивание заряда): интегратор может иметь вход как по току, так и по напряжению с последовательно включенным резистором. Действительно, некоторые преобразователи имеют два входа, один из которых соединен непосредственно с суммирующей точкой. Этот вход используется для связи непосредственно с устройствами, которые являются источниками тока. Когда используется токовый вход напряжение сдвига интегратора не играет роли, в то время как при использовании входа по напряжению (с последовательно включенным внутренним резистором) операционный усилитель интегратора дает ошибку, равную напряжению сдвига по входу. Токовый вход полезно иметь в тех случаях, когда надо получить широкий динамический диапазон, в осо^нностн если АЦП применяется совместно с устройствами, имеющими токовый выход,

Частотный выход

zb Компаратор

Лоцстроима сдвига

Рйс. 9.46. Преобразователь напряжения в частоту с уравновешиванием заряда.

такими, например, как фотоумножители или фотодиоды. Здесь нужно опасаться таких недоразумений: сведения о точности АЦП, приводимые в паспортных данных, могли быть определены только для токового входа, хотя преобразователь имеет входы как по току, так и по напряжению. Если у такого преобразователя использовать вход по напряжению, то не следует рассчитывать на получение хороших характеристик при малых сигналах.

0 етим, что все методы уравновешивания заряда включают в себя точный преобразователь напряжения в частоту и * Могут использоваться в этом качестве, если требуется частотный выход (см. рио 9.46].

ПРИМЕРЫ А/Ц-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

9.24. 16-канальная А/Ц-система сбора данных

На рис. 9,47 приведена схема 16-канального преобразователя аналоговых сигналов в 12-разрядный код. Этот преобразователь может служить периферийным устройством микропроцессорной системы обработки экспериментальных данных.

мультиплексор

Hal ris HI 506

Общая CHTHajibJf най шина ]

оедмняется с землей лсточнина {цифровой части схемы)

л к

Адрес канала

Схема выборни/ (ранения

ISCLF34B

ПРЕ06РА30ВАНИЕ

10 мкс

Одно -вибрагор

Сигналииаа ЗЕМЛЯ

2 4

.11гнапьнь1}1

>ПРЕОЬРАЗОВЙНИЕ

состояние СЗР

ADC-I2QZ-D03

-данчые-

5г

СТАРТ

Цифровом выход 1г-разрядный CMeiiPriHbiti двоичный код

Рлс.9.47. 12-разрядный 16-канальный АЦП последовательного приближения (50 мк а преобразование).

70 .Глава 9 ,

16-канальный аналоговый мультиплексор HI-506 выполнен на КМОП-элементах и имеет цифровые входы, совместимые с уровнями КМОП. Этот не совсем обычный мультиплексор имеет некоторые примечательные характеристики, в частности его ключи выполнены по схеме размыкания перед срабатыванием . Это означает, что за время изменения адресных сигналов на входах мультиплексора между входными каналами не происходит замыкания. Кроме того, на входы можно подавать сигналы, выходящие за пределы напряжения питания, и при этом не будут возникать эффект тиристорного защелкивания и перекрестные помехи между входами. Не рекомендуется применять такой мультиплексор в качестве линейных ключей, так как здесь в некоторых случаях можно столкнуться с затруднениями. Например, размыкание перед срабатыванием снижает быстродействие, поскольку перед срабатыванием должна быть введена задержка на время размыкания ключа. С выхода мультиплексора аналоговый сигнал поступает на ИМС выборки и хранения типа LF398. Время выборки схемы LF398 при емкости запоминающего конденсатора 1000 пФ составляет 4 мкс, а за последующие 40 мкс (время А/Ц-преобразования) спад не превышает 10 мкВ. Устройство управления данной схемой подает адресный сигнал и импульс СТАРТ. Одновибратор формирует импульс ВЫБОРКА длительностью 10 мкс (этой длительности достаточно для установления сигнала на выходе схшы выборки и хранения), по окончании которого начинается А/Ц-преобразование. Оно будет завершено через 40 мкс, в результате чего появится сигнал ГОТОВО. Общее время преобразования составляет 50 мкс на один вход, или 20 ООО преобразований в секунду. Входной диапазон модуля АЦП составляет 20 В (от -10 до +10 В), входному сигналу -10 В соответствует выходной код О , напряжение О В на входе дает на выходе код 2048, а при входном напряжении, равном 9,995 В, на выходе будет максимальный код 4095 (2-1).

В данном случае, естественно, использован АЦП последовательного приближения, поскольку при переключении от одного входа к другому быстродействие играет важную роль. Затраты на данную схему, определяемые в основном АЦП, составят по современным ценам примерно 150 долл.

9.25. 32- знаковый цифровой вольтметр

На рис. 9.48 показана схема, в которой использованы преимущества двухстадийного интегрирования. Почти вся схема цифрового вольтметра, за исключением стабилизированного источника опорного напряжения, индикатора, /?С-цепей генератора и интегратора, выполнена на однокристальной КМОП БИС. В 7107 предусмотрен режим автокоррекции нуля, и, кроме того, имеется полный 7-сегментный дешифратор для непосредственного управления 4-знаковым цифровым индикатором на светодиодах. Для получения других диапазонов измерения напряжения можно использовать внешние входные аттенюа-

0,1 мкФ \

Вхоцной сигнал .

1 МОм -z

llh-ci=i

rr 0,01 мкФ iBK макс ро В, диапазон синфазного сигнал а±3 В +5

память опорного g - напряМЕния

Вход н J

общий

- опорн-

в н

12] W 35

Intersil 1018069

6,8 кОм

м 1,5 кОм 7? 1%

Intersil ICL7107

Б\фер на МОП-транзисторах Н-вход

Управление

землга)

i Отвод -1

100 нОм

Память/преоОразо ватель 7 сегментного кода

I НИ lilt:

Счетчики Источнини питания

Сиорость считывания

ШпФ 3 отсчета/с

21 1 Индикаторы Ф 4

-5 Общая +5 шина Цифровой части схемы

г/оа+ЮОО В

КАЛИБРОВКА

9,53 кОм □ 1%

Рис. 9.48. Однокристальный З^/а-знаковый цифровой вольтметр с двухстадийным интегрированием, в = высокий; Н = низкий.

торы или различные источники смещения. Метод двухстадийного интегрирования вполне удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к цифровым вольтметрам; подобные усредняющие приборы имеют хорошую точность (включая автокоррекцию) и помехоустойчивость к сетевым наводкам при низкой стоимости. Кристалл, который использован в вольтметре, стоит дешевле 20 долл.

9.26. Дельта-сигма-преобразователь с непрерывным интегрированием

На рис. 9.49 приведена законченная схема дельта-сигма-преобразователя, выполненная с использованием логических элементов КМОП, сдвоенных операционных усилителей и компараторов. Особенностью этого АЦП является возможность производить преобразование с непрерывным интегрированием. В точке суммирования операционного усилителя ИМС1а происходит начальное смещение входного сигнала при помощи калиброванного тока, поэтому входное напряжение в диапазоне от -5 до -f 5 В преобразуется в ток от нуля до -100,0 мкА, поступающий в точку суммирования интегратора ИМС16. Здесь необходима высокая точность опорного напряжения, поскольку дрейф входного тока сдвига приведет к дрейфу на выходе, что в свою очередь вызовет смещение выходного двоичного кода. В этом случае нулевому напряжению на входе должен соответствовать выходной код, равный половине всей шкалы (100000000000).

Сигнал с интегратора поступает на компаратор, выход которого соединен с D-входом триггера. На тактовый вход триггера подаются импульсы фиксированной частоты 16,384 кГц. В зависимости от полярности выходного сигнала интегратора выход триггера в начале каждого тактового периода будет устанавливаться в состояние с ВЫСОКИМ или НИЗКИМ уровнем. Этот выход управляет аналоговым однополюсным ключом на два напряжения, через который калиброванный ток подается в точку суммирования интеграторе. Этот ток уравновешивает среднее значение тока, поступающего на интегратор от входного сигнала.

Счетчик ИМС7 подсчитывает тактовые импульсы (частотой 16,384 кГц), в течение которых калиброванный ток подключается к интегратору на интервале измерения 0,25 с. Затем содержимое счетчика заносится в буферный регистр, а счетчик сбрасывается, и при помощи одновибратора ИМС5 выдается сигнал ДАННЫЕ ГОТОВЫ. По входному сигналу СЧИТЫВАНИЕ ДАННЫХ содержимое регистра, выполненного на ИМС 8-10, подается на выходные шины (и может быть использовано для передачи по магистральной шине данных); этот же сигнал сбрасывает триггер ИМС6, снимая сигнал ДАННЫЕ ГОТОВЫ.

Замечания по проектированию. Тактовая частота. Для того чтобы обеспечить эффективное подавление сетевой наводки и ее гар-

REF-Ог

5 hOm @ СД6ИГ нуля

1M414B

Калибровка-, шкалы дГ

2,5 кОм

4 4053

37,6 И0М 1%

Сигнал ±5 В-£

16384 Гц ЛЛЛЛЯГ1Г1Л]тГ1ЛЛЛГ

Интегратор 3 В ../* ~,.. ./*-->..,/

-° 61 мкс

~и-U-и-LT

Временные йиаг{)амМы преойразования для входного сигнала+г,5 В=3/ У„акс

разрешение 1/

Загрузка/сброс Быхрд данных

12-разрядный выхвд

(с памятью) на магистраль

с 3 СОСТОШЯМй

менее 250 мс

Считывание Готовность данных данных

Рис. 9.49. 12-разрядный преобразователь непрерывного интегрирования (дельта.сигма-преобразование с уравновешиванием заряда]. Напряжение внтаиия ОУ от d:9 дэ 15 Bi напряжение внтавиа элементов КМОП да +& Bi ГТИ - геверахор тактовых ямпульоов.

74 Глава 9

..... .1 II I .........г Ml I ... II - .1 .-........ ..Ill I

ионических составляющих, частоту измерений следует выбирать равной 4 Гц1\ так как в этом случае наводки будут усредняться на каждом интервале измерения. В разд. 9.31 будет показано, как выбрать тактовзто частоту кратной сетевой частоте для более полного подавления наводок.

Компаратор. От компарлтора не требуется высокая стабильность или точность, поскольку СИ должен лишь подтверждать ностоянный уровень на выходе интегратора. Абсолютно неважно, на каком уровне будет фиксироваться напряжение на выходе интегратора: на нулевом или каком-либо другом. Фактически выход интегратора можно непосредственно соединить с входом D-триггера, используя в качестве компаратора его логический порог.

Конденсатор. Так же как и в предыдущем случае, стабильность интегрирующего конденсатора не играет существенной роли, поскольку значение интеграла не используется, а лишь производится уравновешивание сигналов на входе интегратора. Значение имеет только дрейф емкости на интервале времени отдельного измерения (0,25 с). Ключ. Для коммутации опорного тока применен однополюсный ключ на два направления, который коммутирует точку суммирования между опорным источником +5 В и землей. Такая схема позволяет снизить влияние емкости ключа типа 4053; если бы использовался ключ на одно направление, то остаточный заряд на емкости разомкнутого ключа (-9 кФ) подвергался бы интегрированию на ИМС16. На сле-дзтощем примере, мы обсудим этот важный вопрос более подробно.

Калибровка, Калибровку этого преобразователя производят под-строечным резистором сдвиг нуля , добиваясь нулевого кода на выходе при точном значении входного сигнала -5,000 В, Затем под-гтроечным резистором калибровка получают выходной код 4095 при точном значении входного сигнала +4,9976 В. Таким образом, достаточно двух регулировок без повторений и итераций. Если особенно важно обеспечить точность вблизи нуля входного сигнала, нужно заземлить вход и после нормальной калибровки произвести небольшую дорегулировку, устанавливая выходной код на значение 2048. Таким образом, в зависимости от особенностей применения можно минимизировать относительную или приведенную погрешность, поскольку в результате дорегулировки полученная точность измеренного значения оказывается выше точности относительно всей шкалы.

Непрерывность измерений и фильтрация входного сигнала. Заметим, что рассмотренная схема является непрерывно интегрирующим преобразователем: счетчик сбрасывается и продолжает работать снова, не теряя ни одного такта времени . Преобразователь непрерывно переходит от одного цикла считывания к другому. Поскольку на интеграторе сохраняется остаточный заряд от предыдущего

Для сетевой частоты 60 Гц.- Прим. ред.