Учебное пособие по АЦП, страница 4

12). Поэтому целесообразно выбрать тактовую частоту такой, чтобы произведение K сч fтактбыло бы равным, или кратным периоду напряжения промышленной сети.11Автоматическая коррекция нуля. Преобразование биполярных входных сигналовКак следует из (10), статическая точность АЦП многотактного интегрирования определяется толькоточностью источника опорного напряжения и смещением нуля интегратора и компаратора, которыесуммируются с опорным напряжением. Смещение нуля можно устранить автоматической компенсацией.

Дляэтого в цикл преобразования вводят дополнительную стадию установки нуля (см. рис. 11), во время которойинтегратор отключается от источников сигналов и совместно с компаратором охватывается глубокойотрицательной обратной связью, как это показано на рис 13. Здесь в качестве компаратора используется ОУ.Между интегратором и входом АЦП включен неинвертирующий повторитель в качестве буферного усилителя Б.В фазе автоматической компенсации нуля ключи S1, S3, S5 разомкнуты, а ключи S2, S4, S6, S7 - замкнуты.Поэтому интегратор, компаратор и буферный усилитель образуют повторитель напряжения, выходноенапряжение которого Uк подается на конденсатор автоматической компенсации Сак Входное напряжениебуферного усилителя равно нулю, а выходное - его смещению нуля U0б После окончания переходных процессовна конденсаторе Сак установится напряжение, равное U0б+U0и, где U0и - смещение нуля интегратора.Одновременно конденсатор Соп заряжается от источника опорного напряжения.На стадии интегрирования входного напряжения ключи S4 и S7 размыкаются, а S1 - замыкается.

Так как наэто время напряжение на конденсаторе Сак запоминается, смещение нуля в течение фазы интегрированиякомпенсируется. При этом дрейф нуля определяется только кратковременной нестабильностью, которая оченьмала. То же самое сохраняется на стадии счета.Поскольку в контуре компенсации смещения нуля последовательно включены два усилителя, то легкомогут возникнуть автоколебания. Для стабилизации последовательно с ключем S 7 следует включить резистор.После окончания фазы интегрирования схема управления анализирует выходное напряжение компаратора.Если среднее значение входного напряжения положительно, то на выходе компаратора устанавливаетсянапряжение высокого уровня. В этом случае одновременно с размыканием ключа S 1 замыкаются ключи S4 и S5,подключая ко входу буферного усилителя конденсатор Соп с сохраненным на нем опорным напряжением, причемтак, что это напряжение имеет полярность, противоположную полярности источника опорного напряжения.

Еслисреднее значение входного напряжения отрицательно, то на выходе компаратора устанавливается напряжение12низкого уровня. Тогда замыкаются ключи S3 и S6, подключая ко входу буферного усилителя опорныйконденсатор другими полюсами. В обоих случаях в стадии счета происходит изменение напряжения интегратораUи(t) в направлении, противоположном тому, которое имело место в стадии интегрирования.

Одновременносхема управления формирует код знака. Таким образом, в простейшем случае выходной код АЦП представляетсобой прямой код со знаком.Интегральные АЦП многотактного интегрирования изготавливаются в виде полупроводниковых ИМС.Можно различить две главные группы: схемы с параллельным или последовательным выходом для сопряжения с микропроцессорами (например,ICL7109, выходное слово которого включает 12 бит плюс знак в параллельном 14-ти или 8-ми разрядномкоде, или 18-разрядный плюс знак МАХ132 с последовательным интерфейсом); схемы с двоично-десятичными счетчиками с дешифраторами для управления семисегментнымииндикаторами, в том числе мультиплексированными.

Такие АЦП применяются в качестве основы дляцифровых вольтметров. Примерами могут служить ICL7106 (отечественный аналог - 572ПВ5) сдиапазоном +/-2000 отсчетов или ICL7135 (отечественный аналог - 572ПВ6) с диапазоном +/-40000отсчетов.Сигма-дельта АЦПАЦП многотактного интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходнойстатической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образомсказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Дляуменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Например, 13-разрядный AD7550выполняет преобразование в четыре такта. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, чтоинтегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть.

Дветрети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойстваинтегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен быть снабжен довольно большимколичеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительноувеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и, как следствие, усиливает влияние помех.Эти недостатки во многом устранены в конструкции сигма-дельта АЦП (в ранней литературе этипреобразователи назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов). Своим названием этипреобразователи обязаны наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции - S) и интегратора(обозначение операции - D ). Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющийуменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - этоусреднение результатов измерения на большом интервале времени.Основные узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр.

Схема n-разрядного сигма-дельтамодулятора первого порядка приведена на рис. 14. Работа этой схемы основана на вычитании из входногосигнала Uвх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученнаяразность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности.Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельтамодуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношениесигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка.

Примерами сигма-дельтамодуляторов высокого порядка являются одноканальный AD7720 седьмого порядка и двухканальный ADMOD79пятого порядка.Наиболее широко в составе ИМС используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых вкачестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП - аналоговый комутатор (рис. 15). Принцип действияпояснен в табл. 2 на примере преобразования входного сигнала, равного 0,6 В, при U оп=1 В. Пусть постояннаявремени интегрирования интегратора численно равна периоду тактовых импульсов.

В нулевом периоде выходное13напряжение интегратора сбрасывается в нуль. На выходе ЦАП также устанавливается нулевое напряжение.Затем схема проходит через показанную в табл. 2 последовательность состояний.В тактовые периоды 2 и 7 состояния системы идентичны, так как при неизменном входном сигналеUвх=0,6 В цикл работы занимает пять тактовых периодов. Усреднение выходного сигнала ЦАП за циклдействительно дает величину напряжения 0,6 В:(1-1+1+1+1)/5=0,6.Для формирования выходного кода такого преобразователя необходимо каким-либо образомпреобразовать последовательность бит на выходе компаратора в виде унитарного кода в последовательный илипараллельный двоичный позиционный код.

В простейшем случае это можно сделать с помощью двоичногосчетчика. Возьмем в нашем примере 4-разрядный счетчик. Подсчет бит на выходе компаратора за 16-ти тактныйцикл дает число 13. Несложно увидеть, что при Uвх=1 В на выходе компаратора всегда будет единица, что дает зацикл число 16, т.е.

переполнение счетчика. Напротив, при U вх=-1 В на выходе компаратора всегда будет нуль, чтодает равное нулю содержимое счетчика в конце цикла. В случае, если U вх=0 то, как это видно из табл. 2,результат счета за цикл составит 810 или 10002. Это значит, что выходное число АЦП представляется всмещенном коде. В рассмотренном примере верхняя граница полной шкалы составит 1111 2 или +710, а нижняя 00002 или -810. При Uвх=0,6 В, как это видно из левой половины табл.

2, содержимое счетчика составит 1310 всмещенном коде, что соответствует +5. Учитывая, что +8 соответствует U вх=1 В, найдем5*1/8=0,625 > 0,6 В.Таблица 2Uвх=0,6 ВUвх=0 ВN такта U∑, В Uи, В Uк, бит UЦАП, В N такта U∑, В Uи, В Uк, бит UЦАП, В10,60,6111111123-0,40,2-0,4-0,2112-100-10-13111141,61,4114-100-15-0,41,011511116-0,40,6116-100-17-0,40,211711118-0,4-0,20-18-100-191,61,4119111110-0,41,01110-100-111-0,40,61111111112-0,40,21112-100-113-0,4-0,20-1131111141,61,41114-100-115-0,41,01115111116-0,40,61116-100-1При использовании двоичного счетчика в качестве преобразователя потока битов, поступающих с выходакомпаратора, необходимо выделять фиксированный цикл преобразования, длительность которого равнапроизведению Kсч fтакт.

После его окончания должно производиться считывание результата, например, спомощью регистра-защелки и обнуление счетчика. В этом случае с точки зрения помехоподавляющих свойств14сигма-дельта АЦП близки к АЦП многотактного интегрирования. Более эффективно с этой точки зренияприменение в сигма-дельта АЦП цифровых фильтров с конечной длительностью переходных процессов.В сигма-дельта АЦП обычно применяются цифровые фильтры с амплитудно-частотной характеристикой(АЧХ) вида (sinx/x)3. Передаточная функция такого фильтра в z-области определяется выражениемгде М - целое число, которое задается программно и равно отношению тактовой частоты модулятора кчастоте отсчетов фильтра.

(Частота отсчетов - это частота, с которой обновляются данные).Например, для АЦПAD7714 это число может принимать значения от 19 до 4000. В частотной области модуль передаточной функциифильтра(13)На рис. 16 приведен график амплитудно-частотной характеристики цифрового фильтра, построеннойсогласно выражению (13) при fтакт=38,4 кГц и М=192, что дает значение частоты отсчетов, совпадающей с первойчастотой режекции фильтра АЦП, fотсч=50 Гц.