АЦП с преобразованием напряжения в частоту

На рис. 5.8 представлена схема метода аналого-цифрового преобразования с использованием преобразования напряжения в частоту. Аналоговое входное напряжение преобразуется с помощью прецизионного преобразователя напряжение – частота (ПНЧ) в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна величине этого напряжения. Затем счетчик формирует выходное цифровое слово путем подсчета этих импульсов в течение фиксированного интервала времени. Заметим, что входной сигнал эффективно интегрируется в этом интервале. Как и метод двухтактного интегрирования, данный метод преобразования характеризуется низким быстродействием, но хорошей помехоустойчивостью.

Если приемлемо большое время преобразования, метод преобразования напряжение – частота позволяет получить высокое разрешение для медленно изменяющихся сигналов при очень низкой стоимости. Например, при подсчете импульсов ПНЧ с частотой 10 кГц в течение 1 с обеспечивается точность 10^-5 (т. е. лучшая, чем при 13-разрядном разрешении). Более того, эта точность сохраняется в широком диапазоне изменения величины входного сигнала. Громадные преимущества использования преобразования напряжение – частота очевидны для систем дистанционного считывания данных в условиях внешних помех. В таких применениях ПНЧ располагается в непосредственной близости к удаленному измерительному преобразователю. Последовательность импульсов, вырабатываемых ПНЧ, в цифровой форме передается на большие расстояния к станции контроля, где приемно-счетное устройство преобразует эту последовательность в цифровой выходной сигнал. Тем самым исключается передача аналогового сигнала по подверженным внешним помехам линиям передачи и возможное при такой передаче ухудшение отношения сигнал/шум. Передача данных в цифровой форме исключает также синфазные помехи. При необходимости может быть обеспечена гальваническая развязка выхода преобразователя с датчиком; это требуется при осуществлении контроля и управления в высоковольтных системах.

Практическая эффективность использования данного метода аналого-цифрового преобразования зависит от наличия дешевых ПНЧ с хорошей линейностью и стабильностью. Имеется несколько методов реализации функции преобразования напряжения в частоту. Наиболее известный из них – метод зарядового уравновешивания, который обсуждался в разд. 1.9, где были также описаны некоторые ПНЧ, имеющиеся в продаже.

АЦП параллельного, или мгновенного, преобразования

Метод мгновенного, или параллельного, преобразования иллюстрируется на рис. 5.9. Он используется в тех случаях, когда требуется очень высокая скорость преобразования, например в видеотехнике, радиолокации, в цифровых осциллографах. В этом методе входной сигнал сравнивается одновременно со всеми пороговыми уровнями с помощью компараторов, смещенных по уровню опорного сигнала на 1 МЗР относительно друг друга. Смещение в преобразователе обеспечивается путем использования генератора опорного сигнала и прецизионной резистивной схемы. При подаче аналогового сигнала на вход АЦП компараторы, смещенные выше уровня входного сигнала, имеют на выходе логический 0, а смещенные ниже этого уровня – логическую 1. Так как все компараторы изменяют свое состояние одновременно, процесс квантования осуществляется за один шаг. Быстродействующий шифратор затем преобразует выходные сигналы компараторов в выходной сигнал всего АЦП. Скорость преобразования в этом случае достигает 100 МГц при 8-разрядном разрешении. Однако разрешение монолитных параллельных преобразователей ограничено из-за большого числа требуемых компараторов (255 для 8-разрядного АЦП).