19. Ацп поразрядного взвешивания. Ацп поразрядного уравновешивания на конденсаторах

По мере развития и совершенствования технологии выяснилось, что в микросхемном исполнении проще делать конденсаторы, чем резисторы. К тому же отношение емкостей получается стабильнее, чем отношение сопротивлений. На рис. 9.21 показан АЦП поразрядного уравновешивания, у которого для упрощения объяснений я сделал всего лишь три двоичных разряда (в действительности такие АЦП могут содержать до 18 разрядов).

Рис. 9.21. АЦП поразрядного уравновешивания с ЦАП на конденсаторах

Схема АЦП содержит преобразователь кода в напряжение ПКН, устройство сравнения УС, генератор тактовых импульсов ГТИ и устройство управления УУ. В свою очередь ПКН состоит из источника опорного напряжения ИОН, двоичного набора конденсаторов 4С (старший разряд, СР); 2С; С (младший разряд, МР); С и переключателей SW₁...SW₅, причём SW₁...SW₃ могут находиться в положениях 1; 2 и 3, SW₄ – в положениях 1 и 2, а SW₅ – замкнут или разомкнут.

В крупном плане алгоритм преобразования здесь такой же, как в любом АЦП поразрядного уравновешивания, но применение коммутируемых конденсаторов вносит свою специфику в деталях. В АЦП по схеме рис. 9.21 процесс преобразования состоит из семи шагов. Рассмотрим этот процесс.

Пусть .

Рис. 9.22. Схемы, образующиеся на 1-м (а); 2-м (б) и 3-м (в; г) шагах процесса преобразования

Первый шаг

Все ключи находятся в положениях, как на рис. 9.21. Образуется схема , показанная на рис. 9.22, а. Все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

Второй шаг

Ключи SW₁...SW₄ переключаются в положение 2; ключ SW₅ размыкается. Ко входу УС приложено напряжение u = – U (рис. 9.22, б). Поскольку u < 0, на выходе УС образуется сигнал Y = 1 (ситуация «Меньше»).

Третий шаг

Ключ старшего разряда SW₁ переключается в положение 3; остальные ключи остаются в прежних положениях. Образуется схема, показанная на рис. 9.22, в. Она сводится к схеме рис. 9.22, г. В соответствии с законом сохранения заряда на входе УС образуется напряжение

.

Поскольку , т.е. u < 0, сигнал Y остаётся в состоянии «1».

Четвёртый шаг

Повторение первого шага. Снова все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

Пятый шаг

Ключи SW₁ и SW₂ переключаются в положение 3; ключи SW₃ и SW₄ – в положение 2; ключ SW₅ размыкается. Образуется схема, показанная на рис. 9.23, а. Она сводится к схеме рис. 9.23, б.

На входе УС образуется напряжение

.

Поскольку , теперь u > 0 и сигнал Y переходит в состояние «0» (ситуация «Больше»). Это значит, что в дальнейшем ключ SW₂ больше не будет устанавливаться в положение 3.

Шестой шаг

Повторение первого шага. Снова все конденсаторы заряжаются до напряжения U.

Рис. 9.23. Схемы, образующиеся после 5-го шага

Седьмой шаг

Ключи SW₁ и SW₃ переключаются в положение 3; ключи SW₂ и SW₄ – в положение 2; ключ SW₅ размыкается. Образуется схема, которая сводится к показанной на рис. 9.24.

На входе УС образуется напряжение

.

Рис. 9.24. Схема, образующаяся после 7-го шага

Поскольку , сигнал Y переходит в состоянии «1». На этом процесс преобразования заканчивается. На выходе АЦП образовался код, содержащий «1» в тех разрядах, у которых переключение соответствующих ключей из положения 1 в положение 3 давало на выходе УС сигнал Y = 1. В рассмотренном процессе это были ключи SW₁ и SW₃, т.е. на выходе АЦП образовался код 101. Это двоичный код числа N = 5. При трёх двоичных разрядах квант q = U₀/8 и значение входного напряжения, определяемое по выходному коду .

Многие фирмы выпускают подобные АЦП на 16 разрядов, но есть модели и на 18 разрядов. Например, модель AD 7641 фирмы Analog Devices имеет 18 разрядов и максимальную частоту повторения выборок 2 МГц (в документации на микросхему указана в форме 2 MSPS; [6]).

Примечание

В рассмотренных АЦП запоминание значения входного напряжения U на конденсаторах, необходимое для выполнения поразрядного уравновешивания, попутно выполняет функцию устройства выборки и хранения (УВХ, раздел 9.7).