3.4.5.6. Применение сигма-дельта преобразователей

Область применения этих устройств очень широка. Во-первых, это цифровые средства связи (телефонии), положившие, как принято считать, начало развитию этой технологии. Далее — средства измерения качества звуковых сигналов. Аппаратура высококачественного воспроизведения звука (проигрыватели компакт дисков класса "Hi-End", многоканальные рекордеры, акустические системы объемного звучания), «компьютерный звук» и «компьютерная музыка» сейчас без подобных преобразователей просто немыслимы. Не следует забывать и о промышленных приложениях. Дельта-сигма АЦП/ЦАП начинают свой путь к широкому применению в технике виброанализа, тензометрических системах, гидроакустических системах и др. При измерении параметров медленных сигналов также требуется высокое качество динамических параметров, ведь часто возникает потребность выделения слабого полезного сигнала на фоне широкополосной помехи большой интенсивности. Кроме этого, применение сигма-дельта преобразователей оправдано и в медицинском оборудовании (ультразвуковая диагностика, кардио-диагностика). Надо отметить вниманием цифровые средства радиоприема. Например, использование сигма-дельта ЦАП на выходе цифрового демодулятора радиосигнала дает существенный аппаратный выигрыш: это устройство уже включает в себя высокодобротный фильтр и цифро-аналоговый преобразователь с высоким разрешением, и все это в одном корпусе при минимальных требованиях к фильтрации шума квантования. То же касается и цифрового модулятора радиосигнала, на входе низкочастотной части которого великолепно смотрится сигма-дельта АЦП. В этом случае полоса информативного сигнала будет очень четко ограничена, а сам сигнал будет обладать весьма широким динамическим диапазоном. Понятно, что непосредственная обработка радиосигнала на несущей частоте с использованием сигма-дельта преобразователей не возможна, их внутренний цифровой фильтр полностью подавит высокочастотные колебания выше частоты среза этого фильтра.

Также сигма-дельта АЦП применяются в составе ИМС систем сбора данных общего назначения.

В заключение необходимо отметить, что выше изложены только базовые понятия. Для успешного завершения разработок с применением сигма-дельта преобразователей необходимо внимательным образом изучать документацию и рекомендации по применению, поставляемые производителями этих устройств.

3.4.6. Ацп двухтактного интегрирования.

Недостатком всех АЦП (за исключением АЦП на основе ПНЧ по сути являющихся интеграторами входного сигнала) является их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность, как правило, на уровне 8…10 разрядов. От этого недостатка свободны АЦП интегрирующего типа, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного сигнала за фиксированный интервал времени.

О дним из наиболее распространенных вариантов такого преобразователя является АЦП двухтактного интегрирования (рис. 3.27, а). Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом импульс запуска, воздействуя на триггер Т1, открывает ключ Кл1, после чего преобразуемый сигнал u_вх подается на вход интегратора. На один вход компаратора К подается выходное напряжение интегратора U_инт, на другой – нулевое напряжение. Так как в начальный момент времени t₁ (рис. 3.27, б) напряжение интегратора равно нулю, компаратор срабатывает и перебрасывает триггер Т3 в состояние «1», в результате чего открывается элемент И и импульсы генератора G начинают поступать на счетчик Сч. Интегрирование напряжения u_вх производится за фиксированный интервал времени

Выходное напряжение интегратора на интервале времени [t₁, t₂] изменяется по закону

Конец интервала Т фиксируется счетчиком, который в момент времени t₂ выдает импульс переполнения, поступающий на триггеры T1 и Т2. При этом ключ Кл1 закрывается, ключ Кл2 открывается и начинается второй такт работы преобразователя. На вход интегратора теперь поступает опорное напряжение U_оп имеющее обратную полярность по отношению к u_вх. Начиная с момента времени t₂ счетчик вновь заполняется импульсами с генератора импульсов G, а напряжение на выходе интегратора (см. рис. 3.27, б) уменьшается по закону

причем в момент времени t₃ U_инт становится равным нулю. Компаратор возвращается в исходное положение и по инверсному выходу перебрасывает триггеры Т2 и T3 в нулевое состояние. При этом напряжение U_oп отключается от входа интегратора, а сигнал с выхода Т3 запрещает подачу импульсов генератора G на счетчик. В результате в счетчике фиксируется числовой код

где T_x=t₃ – t₂.

С учетом (3.11) и (3.12) получаем U_вхT = U_опТ_x где (U_вх — среднее значение входного сигнала u_вx(t) на интервале времени [t₁, t₂]. Подставив в это выражение (3.10) и (3.13), находим

т. е. выходной код АЦП пропорционален входному напряжению (его среднему значению).

Интегрирование входного сигнала в рассмотренном АЦП приводит к его усреднению и сглаживанию (ослаблению) всех быстрых по сравнению с временем интегрирования Т помех, наводок и шумов.

Высокая помехоустойчивость АЦП интегрирующего типа обусловлена тем, что интеграл от синусоидального сигнала за время, равное или кратное его периоду, равен нулю:

Пусть ко входу интегратора АЦП приложено напряжение u_вх(t)=U=const.

Предположим, что помехи нет. Тогда в соответствии с (3.11) получаем

Предположим, что на полезный сигнал, поступающий на вход АЦП, наложена синусоидальная помеха, например помеха сетевой частоты: u_вх(t) = U + U_msin(t + ), где ( — фазовый сдвиг помехи относительно начала интегрирования, т. е. относительно момента времени t₁ (рис. 3.27, в).