11.2. Аналого-цифровые преобразователи.

Основным элементом входных цепей МИП можно считать аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Характеристики именно этих устройств определяют точность и частотный диапазон проводимых измерений.

По используемому алгоритму методы преобразования подразделяются на методы последовательного счета, последовательного двоичного приближения и параллельного действия. Данные методы определяют структуру и характеристики АЦП, в которых они реализуются.

АЦП последовательного счета требуют промежуточного преобразования входного напряжения во временной интервал, который затем трансформируется в соответствующий его длине код. Структурная схема такого АЦП приведена на рис.11.2.

Рис.11.2. Структура АЦП последовательного счета.

Преобразуемое напряжение Uвх подается на первый вход компаратора К, на второй вход поступает линейно изменяющееся напряжение, формируемое генератором ГЛИН. Компаратор, в момент совпадения величин входных напряжений, вырабатывает импульс, который поступает на генератор счетных импульсов ГСИ и прерывает процесс генерации. Генератор тактовых импульсов ГТИ формирует импульсы большой скважности, которые синхронизируют моменты начала генерации ГЛИН и ГСИ, а также сбрасывают счетчик СЧ, на выходе которого формируется код. Значения этого кода пропорциональны величине измеряемого напряжения Uвх. Процесс работы ЦАП поясняет рис.11.3.

Рис.11.3. Диаграмма работы АЦП последовательного счета.

Каждый тактовый импульс ТИ определяет момент t₁ начала процесса измерения. В момент t₂ линейно растущее напряжение ГЛИН достигает уровня Uвх, что вызывает прекращение формирования счетных импульсов СИ. Момент t₃ соответствует завершению периода формирования линейно изменяющегося напряжения, в этот момент считывается значение счетчика СЧ контроллером МИП.

Недостатком АЦП последовательного счета считается большое время измерения, пропорциональное величине 2^b, где b - число двоичных разрядов преобразователя.

Структурная схема АЦП поразрядного кодирования показана на рис.11.4. Преобразователи данного вида имеют постоянное время преобразования и высокую точность.

Рис.11.4. Структура АЦП поразрядного кодирования.

В АЦП поразрядного кодирования эталонное напряжение U_ЭТ формируется цифро-аналоговым преобразователем ЦАП на основе кода, поступающего из регистра последовательного приближения РПП. Компаратор К сравнивает эталонное напряжение U_ЭТ и измеряемое U_ВХ, результат сравнения поступает в РПП в качестве сигнала управления.

Цикл измерения начинается с установки в 1 старшего разряда РПП, остальные разряды при этом обнуляются. Если U_ВХ< U_ЭТ , то компаратор К формирует соответствующий сигнал и старший разряд РПП обнуляется, в противном случае это разряд остается в единичном состоянии до конца цикла. Следующий этап цикла измерения реализует этот алгоритм относительно более младшего разряда РПП. Таким образом, напряжение U_ЭТ поразрядно уравновешивает измеряемую величину U_ВХ. Время одного измерения пропорционально количеству разрядов АЦП. Цикл измерения завершается считыванием полученного кода контроллером МИП

Генератор счетных импульсов ГСИ определяет моменты обновления значений РПП по данным компаратора, а генератор тактовых импульсов ГТИ инициирует новые циклы измерения, обнуляя выходное напряжение ЦАП и сбрасывая РПП.

Наиболее высоким быстродействием обладает АЦП параллельного действия, схема которого приведена на рис.11.5. Основным элементом АЦП данного типа является делитель опорного напряжения, причем количество элементов R делителя равно числу уровней дискретизации преобразуемого входного напряжения. Компараторы K одновременно сравнивают входное напряжение с эталонами. Линейка триггеров T формирует двоичный код. Преобразователь кода CD снижает разрядность выходного кода с до b. Таком образом, преобразование осуществляется за один цикл операции сравнения.

Рис.11.5. Схема АЦП параллельного действия.

Недостатком данного вида АЦП является большое число компараторов, например, восьмиразрядный преобразователь должен содержать 256 компараторов. Микросхемы, реализующие АЦП параллельного типа, имеют от 8 до 12 разрядов и, обычно, для повышения разрядности в их конструкции предусматривается возможность соединения в параллельно-последовательные схемы.

Многие АЦП имеют коммутируемую входную цепь, состоящую из конденсатора и электронного переключателя, который подключает указанный конденсатор либо к измеряемому напряжению, либо к входу АЦП. Коммутируемая входная цепь позволяет разбить цикл измерения на два этапа: выборка и преобразование. На этапе выборки коммутируемый конденсатор заряжается до величины измеряемого напряжения U_ВХ. Величина емкости этого конденсатора выбирается минимальной, так чтобы ее разряд на этапе преобразования не превышал допустимую погрешность. Обычно, время выборки намного меньше времени преобразования: T_В.<< T_П. Этапы выборки и преобразования необходимы для измерения быстропеременных периодических напряжений методом стробирования, который поясняется рис.11.6.

Рис.11.6. Метод стробирования.

Идея метода состоит в использовании известного периода измеряемого сигнала T_ВХ для управления моментом начала этапа выборки, который от замера к замеру сдвигается на величину: (T_ВХ+T_В). Метод позволяет повысить частоту преобразования в (T_В+T_П)/ T_В раз.