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, используя внутренний ЦАП.
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.
Рисунок 3. Упрощенная схема двухтактного интегрирующего АЦП
Рассмотрим принцип работы двухтактного интегрирующего АЦП.
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).