24.6. ПОСТРОЕНИЕ АЦ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

24.6.1. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ СПОСОБ

На рис. 24.23 показана реализация параллельного способа для -разрядного числа. С помощью трех разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью делителя.

Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от то компараторы с 1-го до 3-го устанавливаются в состояние «1», а компараторы с 4-го по состояние Необходимы логические схемы, преобразующие эти состояния в число 3. В табл. 24.4 представлена зависимость между состояниями компараторов и соответствующим двоичным числом. Как показывает сравнение с разд. 19.7, необходимое преобразование можно произвести, используя шифратор приоритета, который был описан в разд. 19.1.1.

Однако приоритетный шифратор нельзя подсоединять непосредственно к выходам компараторов. Если входное напряжение изменяется, может быть получен ошибочный результат. Рассмотрим, например, переход от трех к четырем, следовательно, в двоичном коде от к 100. Если старший разряд вследствие меньшего времени задержки изменит свое состояние раньше других разрядов, то временно возникнет число 111, т.е. семь. Величина ошибки соответствует половине измеряемого диапазона. Так как результаты АЦ-преобразования записываются, как правило, в запоминающее устройство, существует, таким образом, определенная вероятность получить полностью неверную величину. Решить эту проблему можно, например, предотвратив с помощью схемы выборки-хранения изменение входного напряжения в течение времени измерения. Однако при этом способе ограничивается допустимая частота входного напряжения, так как для установки схемы выборки-хранения необходимо время. Кроме того, вероятность изменения выходных состояний

Рис. 24.23. АЦ-преобразователь, работающий по параллельному методу.

Таблица 24.4 (см. скан) Переменные состояния в параллельном АЦ-преобразователе в зависимости от входного напряжения

компараторов полностью не исключается, поскольку быстрые схемы выборки-хранения обладают заметным дрейфом.

Этот недостаток можно устранить, если, как показано на рис. 24.23, после каждого компаратора в качестве промежуточной памяти ввести схему запоминания аналоговой величины срабатывающий по фронту триггер, который при воздействии тактового сигнала запускает следующие последовательностные схемы. В этом случае обеспечивается сохранение стационарного состояния на выходе приоритетного шифратора при действи фронта импульса, запускающего триггер.

Как видно из табл. 24.4, компараторы устанавливаются в состояние «1» по очереди снизу вверх. Такая очередность не гарантируется при крутых фронтах импульса, так как из-за различия во временах задержки компараторы могут переключаться в другом порядке. Это переходное состояние при определенных обстоятельствах может быть записано в триггерах,

а именно тогда, когда фронт импульса, запускающего триггеры, и фронт сигнала совпадают. Приоритетное кодирование, однако, позволяет этого избежать благодаря тому, что единицы в младших разрядах, согласно разд. 19.7, не принимаются во внимание.

Время выборки должно быть меньше времени задержки компаратора, а ее начало определяется фронтом запускающего импульса. Различие во временах задержки обусловливает временную неопределенность (апертуру) результата. Чтобы снизить ее величину до обоснованного в предыдущем разделе уровня, целесообразно применить компараторы с возможно меньшим временем задержки. Благодаря параллельной работе каскадов описанный способ АЦ-преобразования самый быстрый. При использовании ЭСЛ-схем можно обрабатывать сигналы с частотой до

Типы ИС

(см. скан)

Устройства с памятью и приоритетным шифратором

(см. скан)

24.6.2. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ МЕТОД

Недостаток параллельного метода состоит в том, что число компараторов экспоненциально возрастает с длиной слова. Для 8-разрядного преобразователя требуется, например, уже 255 компараторов. Можно значительно уменьшить аппаратурные затраты, снизив скорость преобразования. Для этого комбинируют параллельный и весовой методы.

При построении 8-разрядного преобразователя по модифицированному методу в первом шаге параллельно преобразуется четыре старших разряда кода (рис. 24.24). Результат представляет собой грубо квантованное значение входного напряжения. С помощью ЦА-преобразователя образуется соответствующее аналоговое напряжение, которое вычитается из входного напряжения. Остаток представляется в цифровой форме вторым -разрядным АЦ-преобразователем.

Если разность между грубо приближенным значением и входным напряжением усилить в 16 раз, можно использовать два АЦ-преобразователя с одним и тем же диапазоном входного напряжения. Различие между обоими преобразователями заключается, конечно, в требовании к точности: у первого АЦ-преобразователя она должна быть почти такой же, как -разрядного преобразователя, так как иначе полученная разность не будет иметь смысла.

Грубо приближенная и точная выходные величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение с помощью схемы выборки-хранения поддерживается постоянным до тех пор, пока не будет получено все число.

Рис. 24.24. АЦ-преобразователь, реализующий модифицированный параллельный метод.

Обзор модулей и приборов, построенных по описанному методу, можно найти в работе [24.3].

24.6.3. ВЕСОВОЙ МЕТОД

На рис. 24.25 представлен АЦ-преобра-зователь, который работает в соответствии с весовым методом. Логическое устройство управления (например, микрокомпьютер [24.4]) перед началом измерения записывает в память нули (производит стирание информации). Непосредственно за этим в старшем разряде устанавливается «1», т.е. здесь Благодаря этому напряжение на выходе ЦА-преобразователя составляет

Это половина возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то должно быть Если меньше, то Устройство управления, должно, следовательно, переключить обратно в состояние нуля, если выходная переменная к компаратора принимает значение 0. Непосредственно вслед за этим остаток

таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После восьми подобных выравнивающих шагов в память записывается двоичное число из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее

следовательно,

Рис. 24.25. АЦ-преобразователь, работающий по весовому методу.

Если входное напряжение в течение времени преобразования изменяется, необходима схема выборки-хранения для промежуточного запоминания значения функции, чтобы все разряды были образованы из одного и того же входного напряжения

Типы ИС

(см. скан)

24.6.4. ЧИСЛОВОЙ МЕТОД

АЦ-преобразование, осуществляемое по этому методу, требует незначительных аппаратурных затрат. При этом используются простые средства и достигается высокая точность. Конечно, время преобразования оказывается значительно большим, чем при других методах. Как правило, оно составляет Для многих применений этого вполне достаточно. Поэтому числовой метод наиболее широко распространен и осуществляется в большинстве схемных вариантов. Важнейшие из них описываются ниже.

Компенсационный метод

Компенсационный АЦ-преобразователь, представленный на рис. 24.26, очень похож на ранее рассмотренные схемы.

Рис. 24.26. Построение АЦ-преобразователя по компенсационному методу с постоянным выравниванием.

Существенное отличие состоит в том, что здесь память представляет собой счетчик. При этом можно значительно упростить устройство управления.

С помощью вычитателя входное напряжение сравнивается с компенсирующим напряжением Если разность счетчик работает в суммирующем режиме. Благодаря этому приближается к входному напряжению. Если разность счетчик является вычитающим. При этом компенсирующее напряжение всегда отслеживает входное напряжение. Исходя из этого, такую схему называют отслеживающим АЦ-преобразователем.

Если разность меньше счетчик останавливается. Это делается для предотвращения дальнейшей работы счетчика при достижении выравнивания в последнем разряде.

В отличие от весового метода здесь число на выходе может быть достаточно просто представлено в двоично-десятичной форме. Для этого вместо двоичного счетчика применяют двоично-десятичный. Упрощение устройства управления по сравнению с весовым методом достигается ценой существенного снижения скорости преобразования, так как компенсированное напряжение изменяется ступенями В случае когда входное напряжение изменяется медленно, все же можно получить малые времена срабатывания, так как благодаря свойству отслеживания аппроксимация носит непрерывный характер, а не начинается каждый раз с нуля, как при весовом методе.

Рис. 24.27. АЦ-преобразователь, работающий по методу пилы.

Метод пилообразного напряжения

В представленном на рис. 24.27 АЦ-преобразователе с использованием пилообразного напряжения нет ЦА-преобразователя. Принцип его работы основан прежде всего на представлении входного напряжения пропорциональным ему временем интегрирования. Для этого используется генератор пилообразного напряжения и компараторы .

Пилообразное напряжение возрастает от отрицательного значения до положительного по закону

На выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ сохраняется состояние «1» до тех пор, пока напряжение пилы находится в диапазоне от 0 до . Соответствующее время составляет

Для его определения подсчитывают число колебаний, генерируемых кварцевым генератором. Если перед началом измерений перевести счетчик в состояние то при превышении верхнего порога компаратора в счетчик будет записан код

Если на вход приложено отрицательное напряжение, то сначала пилообразное напряжение достигает значения входного, а затем проходит через нуль. По этой последовательности можно определить знак измеряемого напряжения. Длительность измерения такая же, как в случае положительного сигнала; она зависит только от амплитуды измеряемого напряжения. После каждого измерения счетчик сбрасывается в и пилообразное напряжение принимает начальное отрицательное значение. Чтобы обеспечить постоянную выдачу данных, предыдущий числовой результат обычно запоминается, пока формируется новый. При непрерывно выравнивающем компенсационном методе это не обязательно, потому что после выравнивания состояние счетчика не изменяется, если постоянно.

Как следует из формулы (24.22), разброс постоянной времени х непосредственно влияет на точность измерений. Так как она определяется RС-цепью, то на нее воздействует температурный и временной дрейф емкости конденсатора. По этой причине трудно обеспечить точность выше 0,1%.

Рис. 24.28. АЦ-преобразователь, реализующий метод двойного интегрирования.

Метод двойного интегрирования

Второй метод измерений, при котором интегрируется не только опорное, но и входное напряжение, иллюстрируется рис. 24.28. В состоянии покоя ключи разомкнуты, а ключ замкнут. Выходное напряжение интегратора равно нулю.

Когда начинаются измерения, ключ открывается, замыкается. Поэтому входное напряжение интегрируется. Время интегрирования входного напряжения постоянно; в качестве таймера используется счетчик времени измерения. К моменту окончания интегрирования выходное напряжение интегратора составляет и

где - число тактовых импульсов, определяемое счетчиком времени интегрирования, и -период тактового генератора. После окончания измерений для определения числового значения ключ размыкается и через опорное напряжение поступает на интегратор. При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению. Таким образом, выходное напряжение опять уменьшается, как показано на рис. 24.29.

С помощью компаратора и счетчика результата определяется интервал времени, по окончании которого выходное

Рис. 24.29. Временной ход выходного напряжения интегратора для различных входных напряжений.

напряжение становится равным нулю:

С учетом формулы (24.23) получаем результат

Из этой формулы следует, что отличительной особенностью метода двойного интегрирования является то, что ни тактовая частота ни постоянная интегрирования не влияют на результат. Необходимо только потребовать, чтобы тактовая частота в течение времени оставалась постоянной. Это можно обеспечить при использовании простого тактового генератора. Отсюда ясно, что при помощи данного метода можно легко получить точность до 0,01% [24.5].

При выводе предыдущих выражений мы видели, что в окончательный результат входят не мгновенные значения измеряемого напряжения, а только значения, усредненные за время измерения Поэтому переменное напряжение ослабляется тем сильнее, чем выше его частота. Переменное напряжение, частота которого равна целочисленному кратному от подавляется совершенно. Поэтому целесообразно выбрать частоту тактового генератора такой, чтобы величина либо равнялась периоду колебаний сетевого напряжения, либо была кратна ему. В этом случае уничтожаются все сетевые наводки.

Так как с помощью метода двойного интегрирования простыми средствами можно обеспечить высокую точность и подавление помех, его предпочитают использовать в цифровых вольтметрах. Относительно большие времена преобразования не препятствуют такому использованию.

Автоматическая корректировка нуля

При описании метода двойного интегрирования было отмечено, что постоянная времени и тактовая частота не влияют на результат. Следовательно, точность в значительной степени определяется разбросом значений опорного напряжения и смещением нуля интегратора и компаратора. Смещение нуля можно устранить автоматической корректировкой. Для этого нормально замкнутый ключ (рис. 24.28) заменяют регулирующей цепью, как показано на рис. 24.30, с помощью которой интегратор устанавливается в нужное начальное состояние.

В состоянии покоя ключ замкнут. Поэтому интегратор и предусилитель на входе компаратора образуют повторитель напряжения, выходное напряжение которого подается на конденсатор нулевой точки Для корректировки нуля замыкают ключ и на вход интегратора подается нулевое напряжение. В результате к прибавляется корректирующая величина Здесь напряжение сдвига интегратора, а входной ток покоя. В установившемся состоянии благодаря компенсации ток через как в идеальном интеграторе, равен нулю.

При интегрировании входного напряжения ключи размыкаются, замыкается. Так как в течение этого времени напряжение на конденсаторе запоминается, положение нуля в течение фазы интегрирования корректируется. При этом дрейф нуля определяется только кратковременной стабильностью.

Рис. 24.30. Метод двойного интегрирования с автоматическим выравниванием нуля.

Ошибка смещения компаратора также может быть в значительной степени скорректирована. В состоянии покоя выходное напряжение интегратора устанавливается не в нуль, как в ранее рассмотренных схемах, а сдвигается на напряжение смещения предусилителя, т.е. непосредственно на пороговое напряжение переключения схемы.

Так как в компенсационном контуре последовательно включены два усилителя, то легко могут возникнуть колебания. Для стабилизации последовательно с конденсатором можно включить резистор. Кроме того, целесообразно ограничить коэффициент усиления предусилителя на уровне ниже 100. Благодаря этому также проще получить малые времена задержки, необходимые для работы компаратора.

Интегральные АЦ-преобразователи изготовляются в виде монолитных КМОП-схем. Можно различить две главные группы: схемы с параллельными выходами для общего применения (особенно для переработки данных совместно с микрокомпьютерами) и схемы с мультиплексными двоично-десятичным выходами для управления индикаторами.

Типы ИС с двоичными параллельными выходами

(см. скан)