Тема 10. Аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі

Відомо, що недоліком послідовних АЦП є низька завадостійкість результатів перетворення. Дійсно, вибірка миттєвого значення вхідної напруги, переважно включає доданок у вигляді миттєвого значення завади. Згодом при цифровій обробці послідовності вибірок ця складова може бути подавлена, однак на це потрібен час та обчислювальні ресурси. Переважно у АЦП вхідний сигнал інтегрується або неперервно, або у певному часовому діапазоні, тривалість якого зазвичай вибирається кратною періодові завади. Це дозволяє в багатьох випадках приглушити заваду ще на етапі перетворення. Платою за це є понижена швидкодія інтегруючих АЦП.

Спрощена схема АЦП, який працює в два основних такти (АЦП двотактного інтегрування), наведена на рис. 4.10.

Рисунок 4.10 – Спрощена схема АЦП двотактного інтегрування

Перетворення проходить протягом двох стадій: стадії інтегрування та стадії підрахунку. На початку першої стадії ключ S1 замкнутий, а ключ S2 розімкнутий. Інтегратор I інтегрує вхідну напругу Uвх. Час інтегрування вхідної напруги t1 постійний; як таймер використовується лічильник з коефіцієнтом підрахунку Kn, так, що

До моменту закінчення інтегрування вихідна напруга інтегратора складає

де Uвх.сер – середнє за час t1 значення вхідної напруги.

Після закінчення стадії інтегрування ключ S1 розмикається, а ключ S2 замикається та опорна напруга Uоп надходить на вхід інтегратора. При цьому вибирається опорна напруга, протилежна за знаком вхідній напрузі. На стадії підрахунку вихідна напруга інтегратора лінійно зменшується за абсолютною величиною, як показано на рис. 4.11.

Рисунок 4.11 – Часові діаграми АЦП двотактного інтегрування

Стадія підрахунку закінчується, коли вихідна напруга інтегратора переходить через нуль. При цьому компаратор К переключається та підрахунок зупиняється. Діапазон часу, у якому проходить стадія підрахунку, визначається рівнянням

Далі, виконавши прості математичні дії і врахувавши, що:

де n2 – вміст лічильника після закінчення стадії підрахунку,

отримаємо результат

З цієї формули випливає, що відмітною рисою методу багатотактного інтегрування є те, що ні тактова частота, ні постійна інтегрування RC не впливають на результат. Необхідно тільки, щоб тактова частота протягом часу t1+t2 залишалася постійною. Це можна забезпечити при використанні простого тактового генератора, оскільки істотні часові чи температурні дрейфи частоти відбуваються за час який більший, ніж час перетворення.

При виведенні попередніх виразів ми бачили, що в остаточний результат входять не миттєві значення перетворюваної напруги, а тільки значення, усереднені за час t1. Тому змінна напруга послабляється тим сильніше, чим вища її частота.

Визначимо коефіцієнт передачі завади Kп для АЦП двотактного інтегрування. Нехай на вхід інтегратора надходить гармонічний сигнал одиничної амплітуди частотою f з довільною початковою фазою φ. Середнє значення цього сигналу за час інтегрування t1 дорівнює

Коли ця величина досягає максимуму за модулем, то

Частотна характеристика коефіцієнта приглушення завад АЦП двотактного інтегрування наведена на рис. 4.12.

Рисунок 4.12 – Частотна характеристика коефіцієнта приглушення завад АЦП двотактного інтегрування

Як бачимо змінна напруга, період якої в ціле число раз менший t1, приглушується зовсім Тому доцільно вибрати тактову частоту такою, щоб добуток Kп·fтакт був рівним чи кратним періоду напруги промислової мережі.