книги / Электронные цифровые приборы

АЦП последовательного приближения широко используются на практике; в особенности их популярность возросла после органи­ зации массового выпуска АЦП в интегральном исполнении. Вместе с тем остается нерешенной основная проблема этих приборов — не­ возможность коррекции погрешности ЦАП при нарушении соотно­ шения токов в разрядах. О связанной с этим дифференциальной нелинейности, выражающейся иногда в пропуске некоторых циф­ ровых кодов, упоминалось выше.

АЦП ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Преобразование непрерывного сигнала за один такт с одновремен­ ным определением значений всех разрядов цифрового кода требует схем сравнения (компараторов, дискриминаторов) по количеству,

Преобразователь состоит из четырех узлов. Первый (ИС1) составляет прецизионный делитель, обеспечивающий 63 последовательно вклю­ ченных одинаковых ступеней напряжения. Делитель собран из низ­ коомных резисторов (/? = 0,5...2 Ом) с таким расчетом, чтобы стаби­ лизированный ток (/ст) по делителю не менее чем на три порядка пре­ вышал входной ток компаратора. Измеряемое напряжение подводит­ ся ко всем компараторам (ИС2). С помощью очередного строб-им­ пульса (СИ) компараторы открываются на короткое время и унитар­ ный код (сплошная часть единиц наподобие «ртутного столбика»), соответствующий измеряемому сигналу, подается на дешифратор (ИСЗ), в котором формируется 6-разрядный двоичный код. Выход­ ной код с интерфейсом согласуется в выходном устройстве (ИС4).

Кчислу наиболее ответственных узлов АЦП относятся делитель

икомпараторы. Конструктивно делитель выполняется при форми­

ровании рабочей металлизации кристалла из сплава алюминий — кремний в виде сплошной шины с отводами. Компараторы построены на базе дифференциальных усилителей постоянного тока, в которых приняты меры для обеспечения минимального и независимого от уровня входного сигнала дрейфа. Триггер-защелка в компараторе выполняет функцию запоминания сигнала сравнения *( 1; 0). Кон­ структивно все четыре части АЦП можно объединить и выполнить в одном металлокерамическом корпусе.

Известны серийные 6- и 8-разрядные АЦП с частотой преобразо­ вания 20, 50, 100 МГц и более (в некоторых удвоение скорости до­ стигается за счет введения конвейерного способа обработки). С до­ статочной полнотой эти приборы рассмотрены в работе [50], вклю­ чая вопросы корректировки нелинейности, снижения ряда других погрешностей и регулировок.

На схеме (рис. 2.7) отсутствует в явном виде узел УВХ; его роль отводится строб-импульсам СИ. Использование быстродействующих УВХ с временем передачи сигнала менее 1 нс позволит более точно проводить привязку дискретного значения сигнала к временной оси, а также обеспечит более устойчивую работу АЦП.

АЦП РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Преобразователь относится к числу простейших из семейства АЦП кодово-импульсного типа. В компараторе сравнивается 11я и последовательно нарастающее напряжение, генерируемое ЦАП. Работа ЦАП прекращается по сигналу компаратора на коде, соот­ ветствующем 0 х\ погрешность квантования не превосходит 1 ЕМР.

2.4. ГИБРИДНЫЕ А Ц П

Вполне успешной оказалась попытка сохранить основные до­ стоинства АЦП время-импульсного (удобство проведения калибро­ вок с целью обеспечения высокой точности измерения) и кодово-им­ пульсного типа (высокое быстродействие) в одном преобразователе. Структурная схема АЦП показана на рис. 2.8, а. Измеряемый сигнал после УВХ передается на генератор нормированного тока ГТ с раздвоенными токовыми выходами. При постоянном значении сум­

циальные уровни на конденсаторах С1 и С2 сравниваются компара­ тором Кп, выходной сигнал которого устанавливает триггер Тг в состояние 1 или 0. Заряженный предварительно от источника заряда ИЗ генератор экспоненциального тока ГЭТ готов по поступающим импульсным сигналам разряжаться по экспоненциальному закону; ток разряда используется для выравнивания потенциалов на кон­ денсаторах С1 и С2. Импульсная последовательность формируется в генераторе тактовых импульсов ГТИ, а распределение управляю­ щих импульсов ключами 81—84 и 86, 87 осуществляется в уст-

5 5 . Аналогичным образом формируются все от разрядов. Постоян­ ная цепи разряда ГЭТ выбрана из соотношения т = 7У1п 2, что обе­ спечивает снижение вдвое величины заряда от импульса к импульсу (заштрихованные участки на рис. 2.8, б). Изменением постоянной цепи разряда можно получить любое другое соотношение между разрядами, что также является положительным свойством этого АЦП. При работе с гибридным АЦП необходимо учесть следующие особенности.

1. Емкости С1 и С2 с учетом паразитных емкостей элементов схе­ мы и емкости монтажа должны быть равны. Нарушение этого требо­ вания приводит к максимальной погрешности нелинейности

ДЛ^тах/А = АС/4С,

где N — полный размах шкалы квантованных уровней.

2.Постоянная времени цепи разряда ГЭТ выбрана равной тном а

=7У1п 2. Нарушение этого соотношения вызывает максимальную погрешность нелинейности

А Л тах/М = (т — ?ном)/4Тц<»1>

Погрешность из-за отклонения х разрядной цепи ГЭТ можно уменьшить при взаимной автоподстройке ГТИ и ГЭТ.

3. Неконтролируемые токи утечки конденсаторов памяти, вклю­ чая ток входной цепи компаратора, должны быть минимальны. Мак­ симальная величина разрыва в шкале преобразователя

ДАтпах/А ^ [(от — I) (?Д/ут]/4/ср,

где от — число двоичных разрядов выходного кода; 0. — скваж­ ность (здесь (I = 2); / ср — средний ток первого уравновешиваю­ щего импульса; Д /ут— разность токов утечки конденсаторов памяти.

4. Необходимо устранить зависимость коэффициента преобра­ зования от длительности строб-импульса выборки. Поэтому этот строб-импульс следует формировать тем же источником, который служит для формирования уравновешивающих импульсов.

Современная элементная база позволяет получить в гибридном АЦП до (1— 1,5) • 10е преобразований в секунду при 12-разрядном двоичном коде. Структуру гибридного АЦП можно упростить при реализации его на базе микропроцессора; при этом отпадает необ­ ходимость в ряде узлов (Г ТИ , УУ, Тг и др.), а часть узлов можно выполнить в интегральном исполнении.

2.5. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫ Е ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Эти устройства служат для получения тока или напряжения, соответствующего по уровню входному числовому коду; для полу­ чения аналогового (непрерывного) сигнала, как это следует из на­ звания, необходима еще фильтрация. Используются ЦАП в составе АЦП, а также в качестве автономных устройств для формирования сигналов произвольной формы. Выходной сигнал ЦАП можно полу-

чить при последовательном опросе разрядов (см. АЦП последова­ тельного приближения) или при одновременном включении всех необходимых разрядов. Достаточно полный обзор ЦАП в инте­ гральном исполнении приведен в работе [25].

ЦАП с выходом ПО ТОКУ

На рис. 2.9 показана схема 4-разрядного ЦАП (или 4-разрядной секции), в которой токи разрядов определяются двоично-взвешен- нымн резисторами. Технология и материал, используемые для полу-

Входной кед

чения резисторов в составе микросхемы, выбраны в соответствии о высокими требованиями к их стабильности или, во всяком случае, их одинаковым относительным изменениям; это замечание относится ко всем типам ЦАП. В зависимости от значения разрядов входного кода Р1 — Р4 ключевые транзисторы УТ1 — УТ4 оказываются в состоянии 1 или 0; сумма разрядных токов, отвечающих состоянию 1 и проходящих по открытым транзисторам УТ8...УТ11 образует выходной ток (/вы*). а токи с нулевым состоянием разрядов проходят пооткрытым ключам УТ1 — УТ4 в источник питания. Использова­ ние многоэмиттерных транзисторов УТ7 — УТИ связано с необходи­ мостью получения одинаковой плотности тока в разрядах, с тем что­ бы выровнять напряжения смещения в этих транзисторах. Стабиль­ ное значение токов в разрядах при возможном изменении питающего

Рис, 2,10, Схема ЦАП с Н,—2/? цепью лестничного типа (о); ЦАП с одинаковыми токами в разрядах (б)

Возможность преобразования выходного тока ЦАП в пропороло* нальное ему напряжение с помощью операционного усилителя из виду не опускается. Здесь рассматриваются некоторые варианты ЦАП с непосредственным формированием выходного сигнала в виде напряжения. На рис. 2.11, а показана упрощенная схема ЦАП на базе резистивной сетки Я — 2/?. Отметим, что в ЦАП с выходом по

Входной код

Рис. 2.11. Резистивная сетка для ЦАП с выходом по напряжению (а); ЦАП на резистивном делителе (б)

напряжению сопротивления резисторов на порядок выше, чем в резистивных сетках токовых ЦАП, а ключи 31 — 55 выполнены на базе МОП-, КМОП-транзисторов. При небольшом числе уровней квантования целесообразно применить простейшую схему ЦАП на резистивном делителе (рис. 2.11, б).

Представителем другого класса является ЦАП с временной ком­ мутацией (рис. 2.12). По существу — это одноразрядный ЦАП; в выходной цепи накапливается заряд с уровнем напряжения, про­ порциональным входному коду. Генератор таковых импульсов ГТИ формирует пакет импульсов, подсчитываемых счетчиком Сч. Начиная с 1-го импульса триггер Те переходит в состояние 1, ключ 31 замыкается — происходит заряд кондесатора С. Когда число им­ пульсов, прошедших в счетчик, сравняется в числом, записанным в регистре входного кода Рее, устройство сравнения УС переводит

и

определяющее значение. Способы подавления помех нормального вида, к которым, в основном, относятся наводки на подводящие сиг­ нал провода от сети, хорошо изучены. Тщательное экранирование, скручивание подводящих проводов, применение фильтров и исполь­ зование интегрирующих АЦП с весовыми функциями (см. гл. 5) позволяют довести коэффициент подавления помех нормального ви­ да до значения /Сн.в = 8 0 ...ПО дБ. Отметим, что отказ от простых фильтров в пользу более сложных программных и аппаратных средств, какими являются весовые функции, во многих случаях вполне оправдан. Время установления сигнала при использовании

Корпус

быстродействие прибора; наличие фильтра приводит к ограничению входного сопротивления АЦП.

Помехи общего вида связаны чаще всего с тем, что трудно обес­ печить общее заземление источника исследуемого сигнала постоян­ ного тока и измерительного устройства (ИИС, системы обегающего контроля), а также в случаях, когда измеряемое напряжение отде­ лено от потенциала земли большим постоянным или переменным напряжением помехи. Оба источника помехи общего вида — межзе­ мельная 1/Кзп и включенная последовательно с измеряемым сигна­ лом (/„ показаны на рис. 2.13. Аналоговая часть измерительного прибора помещается в изолированный от корпуса металлический кожух (экран); общая точка аналоговой части показана незаштрихованным прямоугольником. Дискретная часть прибора расположена внутри корпуса. Сопротивление изоляции между экраном и корпу­ сом # 9К и емкость С8К.

При трехпроводной схеме включения измеряемого сигнала к прибору (рис. 2.13) имеется возможность вывести общую точку свя-