Аналогово-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования

Структурная схема интегрирующего АЦП с время-импульсным преобразованием приведена на рис. 26.9 а. Работу этой схемы можно разделить на три такта. В первом такте производится заряд интегратора, во втором - его разряд, а в третьем коррекция нулевого уровня интегратора. Графики, иллюстрирующие работу АЦП, приведены на рис. 26.9 б.

 

Риc. 26.8. Структурная схема АЦП время-импульсного преобразования (а) и графики процесса преобразования (б)

 

В первом такте, имеющем  фиксированную длительность Т₀, замкнут ключ S1, а остальные ключи разомкнуты. В этом случае входное напряжение u_вх, через замкнутый ключ S1 и сопротивление R1, заряжает емкость С1 интегратора и выходное напряжение растет линейно во времени, как показано ни рис. 26.9 б. К концу интервала Т₀ напряжение ни выходе интегратора будет равно

                                    u₁(Т₀)=кТ₀u_вх                                 (26.6)

 

где к = R ₁С₁ — постоянная  времени интегратора,u_вх — среднее значение входного напряжения.                                               

Во втором такте происходит разряд интегратора. При этом в зависимости  от требуемой полярности источника опорного напряжения замыкается один из ключей S2 или S3. Разряд интегратора происходит с постоянной скоростью, которая не зависит от накопленного в интеграторе заряда, поэтому с увеличением накопленного заряда время разряда также увеличивается. Конец разряда интегратора фиксируется компаратором К, после чего ключ S2 (или S3) размыкается.

Поскольку начало разряда определяет схема управления, а конец-компаратор, то длительность разряда интегратора можно определить по формуле :

Откуда

KT₀U_вх=kU_onTx    или      T_x = (T₀/U_on)U_вх

что свидетельствует, о пропорциональности интервала Т_х среднему значению входного напряжения U_вх. Заполнение интервала Т, счетными импульсами, поступающими от схемы управления, позволяет найти числовой код N_x =N_x f_{0 .}

К достоинствам интегрирующих АЦП  следует отнести их высокую помехозащищенность. Если на входной сигнал наложена гармоническая помеха, то при равенстве периода помехи времени заряда интегратора Т_п=Т₀ среднее значение помехи к концу интервала интегрирования будет равно нулю, как показано штриховой линией

на рис. 26.9 б. Случайные помехи и шумы также ослабляются интегрированием, хотя и в меньшей степени.

На третьем этапе  производится коррекция нулевого уровня интегратора. Для этого замыкаются ключи S4 и S5, а остальные ключи размыкаются. Так как вход интегратора через сопротивление R, соединен с общей шиной, то конденсатор С через замкнутый ключ 55 заряжается до напряжения ошибки, которое после размыкания ключей S4 и S5 вычитается из входного сигнала.

 

.

 

 

 

Рис 26.9. Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования (а) и графики процесса преобразования (6)

 

К недостаткам таких  интегрирующих АЦП относится  прежде всего сравнительно невысокое быстродействие. Кроме этого, при перегрузке АЦП большим входным сигналом происходит перезаряд интегрирующего конденсатора С₁, пo-этому после снятия перегрузки в течение нескольких циклов АЦП будет работать с большой погрешностью.

Выбор и обоснование  принципа работы узла аналого-цифрового преобразования.

 

             2.1.    Выбор схемы АЦП и ее обоснование

По существу аналого-цифровые преобразователи  либо преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной сигнал с переменным опорным сигналом. 
Существует три ведущих способа преобразования, основанных на принципе измерения временного интервала: преобразование напряжения в частоту, метод с пилообразным напряжением и метод линейного интегрирования. На методе сравнения основываются схемы последовательного приближения, параллельные и модифицированные параллельные схемы.  
В основном находят применение 2 основных типа АЦП: двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению.  
При выборе принципа работы узла аналого-цифрового преобразования будем учитывать следующие факторы:  
- точность преобразования;  
- скорость преобразования;  
- стабильность точностных характеристик преобразователя во времени;  
- стоимость преобразователя;  
- гальваническое разделение входных и выходных цепей.  
Рассмотрим все эти факторы:  
1) из задания известно, что время реакции датчика на изменение температуры составляет более 10 секунд – можем применить низкоскоростной АЦП;  
2) требования к точности преобразования – 14 разрядный АЦП;  
3) стоимость преобразователя – как можно дешевле;  
4) стабильность точностных характеристик преобразователя во времени – с течением времени преобразователь должен обеспечивать высокое качество преобразования без необходимости частой калибровки потребителем;  
5) практически все АЦП позволяют реализовать гальваническое разделение между входными и выходными цепями, различия будут лишь в технической реализации и стоимости выбранного решения.  
Этим требованиям отвечают интегрирующие АЦП, которые имеют дополнительные преимущества по сравнению с АЦП последовательного приближения: минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.  
Недостатком таких АЦП является большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети. В нашем случае требования по быстродействию АЦП позволяют применить данный вид АЦП.

       2.2. Краткое описание роботы схемы

В первом такте цикла  преобразования производится интегрирование – накопление интеграла от некоторого входного сигнала, а затем во втором также выполняется операция «разинтегрирования» - считывание накопленного интеграла путем подачи на вход интегратора другого входного сигнала (опорного). Диаграмма изменения напряжения Uи на выходе неинвертирующего интегратора при реализации принципа двухтактного интегрирования показана на рис. 4. В первом такте длительностью Т₁ напряжение Uи изменяется от некоторого начального уровня (в частном случае от нуля) до значения Uм. Во втором такте длительностью Т₂ происходит обратное изменение Uи – от Uм до исходного уровня. Накопление интеграла (в течение Т₁) происходит при подаче на вход интегратора напряжения Uвх.и = U₁, а считывание (Т₂) – при подаче напряжения Uвх.и = U₂.

Рис. 4. Диаграмма изменения интеграла  при реализации принципа двухтактного интегрирования

 

Суммарное приращение интеграла  за цикл интегрирования равно нулю, поэтому можно записать  
U₁T₁     U₂T₂  
------ + ------- =0,  
 τ           τ где  
τ – постоянная времени интегратора.  
Отсюда видно, что напряжения U₁ и U₂ должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством  
T₂/T₁ = - U₁/U₂.  
Задача построения точного цифрового измерителя длительности импульсов решается просто: производят подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. В интегрирующем преобразователе этого типа не важны стабильность частоты генератора импульсов, если исходить из того, что она остается постоянной за время преобразования, и стабильность «постоянной времени» интегратора. Выбирая время интегрирования равным одному или нескольким периодам сигнала помехи, помеху можно исключить. Двухтактный интегрирующий АЦП применяется до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре.  
 
Рисунок 5. Диаграммы работы двухтактного интегрирующего АЦП  
Выбор длительности интегрирования входного сигнала Uвх обуславливается подавлением высокочастотных помех и исключением влияние сетевых помех на точность преобразования (интеграл от синусоидального напряжения в интервале, кратном периоду изменения синусоиды равен нулю).  
Двухтактный интегрирующий АЦП состоит из интегратора, компаратора, устройства управления, счётчика и источника опорного напряжения

            3.Выбор ЧМС АЦП, ее основные  параметры

                             3.1.Интегратор

Наиболее важное значение для аналоговой вычислительной техники имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования. Как правило, для этого используют инвертирующее включение ОУ (рис.2).

Рис. 2. Схема инвертирующего интегратора

По первому закону Кирхгофа с учетом свойств идеального ОУ следует  для мгновенных значений: i₁ = - i_c. Поскольку i₁ = u₁/R₁, а выходное напряжение схемы равно напряжению на конденсаторе:

то выходное напряжение определяется выражением:

Постоянный член u_вых(0) определяет начальное условие интегрирования. С помощью схемы включения, показаной на рис.3, можно реализовать необходимые начальные условия. Когда ключ S1 замкнут, а S2 разомкнут, эта схема работает так же, как цепь, изображенная на рис.2. Если же ключ S1 разомкнуть, то зарядный ток при идеальном ОУ будет равен нулю, а выходное напряжение сохранит значение, соответствующее моменту выключения. Для задания начальных условий следует при разомкнутом ключе S1 замкнуть ключ S2. В этом режиме схема моделирует инерционное звено и после окончания переходного процесса, длительность которого определяется постоянной времени R₃C, на выходе интегратора установится напряжение

Uвых = -(R3 / R2)U2.

заключение отметим, что  к операционным усилителям, работающим в схемах интеграторов, предъявляются особенно высокие требования в отношении входных токов, напряжения смещения нуля и дифференциального коэффициента усиления по напряжению K_U. Большие токи и смещение нуля могут вызвать существенный дрейф выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе, а при недостаточном коэффициенте усиления интегратор представляет собой фильтр низких частот первого порядка с коэффициентом усиления K_U и постоянной времени(1+K_U)RC.

 

3.2. Схема автоматического  переключения полярности опорного напряжения.

Схема состоит из "high-speed"-компараторов и двух буферов, один из которых - инвертирующий. Схема сравнивает полярность входного сигналаотносительно "измерительной земли", и при различной полярности воздействует на аналоговые ключи KI и К2 изменяя полярность опорного напряжения относительно "измерительной земли" на ту же, что имеет входной сигнал.

Автоматический переключатель  полярности опорного напряжения

 

                         3.3 Комператор

                                                                                Аналоговые компараторы напряжения предназначены для определения момента равенства двух напряжений и выработки цифровых выходных сигналов 0 или 1 в зависимости от знака разности сравниваемых сигналов. Типовой компаратор имеет два входа для аналоговых сигналов: и_п\ и и_ВХ2 и выход логического сигнала. Таким образом, компараторы, как и пороговые устройства, можно рассматривать как линейно-дискретные схемы. В технической литературе этот класс схем называют также нуль-органами, устройствами сравнения, схемами сравнения, нуль-компараторами, нуль-индикаторами, нулевыми индикаторами.

                                                                                 Компараторы напряжения можно условно разбить на две группы в соответствии с временными диаграммами (рис. 9.15): с релейной (гистерезисной) передаточной характеристикой (рис. 9.15, а) и передаточной характеристикой, близкой к релейной (безгистерезисной), у которых выходной сигнал пропорционален разности входных сигналов только в очень узкой области — вблизи точки их равенства (рис. 9.15, б). Хотя характеристики компараторов (особенно первой группы) сходны с характеристиками пороговых устройств, а сами они могут применяться для решения тех же задач, тем не менее к ним предъявляется ряд дополнительных требований, определяемых их функциональным назначением. К основным из них относится минимальная ширина петли гистерезиса передаточной характеристики, наличие которой приводит к неоднозначности срабатывания компаратора, и более высокие требования к точности и стабильности уровней срабатывания.

Компараторы напряжения характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются чувствительность, быстродействие, нагрузочная способность. Чувствительность, или разрешающая способность — это минимальная разность аналоговых сигналов, которую можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе.

 

3.4. Схема управления на микроконтроллере.

Схема управления на микроконтроллере состоит из регистра «RG» 74АС373 или любого функционально аналогичного и однокристального микроконтроллера

"MC" типа SX28AC200 производства фирмы «SCENIX» с тактовой частотой 200МГ (Рис. 11)

Рис. 11 Схема управления на однокристальном микроконтроллере SX28AC200 Микроконтроллер после запуска по завершении программы теста и начальных установок (см. алгоритм на рис. 10 ) выбирает мультиплексор AnS вход СЕ-, выставляет на входах А0-А2 адрес канала 10 и сигналом ОЕ- разрешает передачу входного сигнала 10 на выход OUT мультиплексора, по истечении выдержки времени необходимой для установления кода на входах регистра «RG» микроконтроллер даёт команду записи в регистр, из которого считывает данные во внутренне ОЗУ, после чего следуют программно-заданное количество циклов выдержки времени, записи в регистр и переноса в ОЗУ. Далее сигналом ОЕ- запрещается передача со входа 10 на выход мультиплексора, устанавливается на входах А0-А2 адрес следующего канала и производится цикл преобразования и считывания. По окончании цикла последнего считывания канала микроконтроллер производит завершение Операций по обработке полученных значений и сохраняет данные в буфере.

Далее запрещается передача входного аналогового сигнала на выход мультиплексора и если считан не последний канал, то инкрементируется адрес канала мультиплексора и продолжается цикл чтения и преобразования. По завершении цикла обработки последнего канала проверяется, был ли запрос на обмен от внешнего устройства, если да то производится обмен и очищается буфер, иначе буфер проверяется на переполнение и при необходимости очищаеться, после чего весь цикл повторяется.