Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Но чудес не бывает— точность и стабильность преобразования здесь полностью определяются точностью и стабильностью значения U оп. Это общее условие для всех без исключения конструкций АЦП и ЦАП. Между прочим, обратите внимание, что U вхи U опобразуют в совокупности нечто вроде неинвертирующего и инвертирующего входа ОУ. Эта аналогия куда более полная, чем кажется, и манипулируя этими величинами, можно выделывать с выходным кодом всякие штуки, в частности, подгонять масштаб преобразования к нужному диапазону. Другое облегчение, которое можно получить от этой связи, заключается в возможности проведения относительных измерений, когда входное и опорное напряжения получаются от одного источника и тем самым имеют одинаковую относительную погрешность. Получается нечто вроде явления ослабления синфазного сигнала в ОУ. В идеале тогда мы получаем очень точные измерения, однако идеал этот, к сожалению, редко достижим на практике.

Кстати, в интегрирующих АЦП такого рода для более полного подавления помех нужно делать первую часть цикла интегрирования именно кратным периоду помехи. Тогда в цикле укладывается целое число периодов помехи и она усредняется. Практически наибольшее влияние оказывает сетевая помеха частотой 50 Гц, поэтому частоту циклов стараются делать в «круглых» числах.

Простой вариант практической схемы АЦП двойного интегрирования (преобразователь напряжение — время) приведен на рис. 10.6. Счетная часть на схеме не показана. Для понимания того, как работает схема, следует обратить внимание, что управляющий вход у ключей типа 590КН2 (D1) инверсный, т. е. при низком уровне на управляющем входе ключ открыт, при высоком — заперт.

Рис. 10.6. Простой вариант АЦП двойного интегрирования (ПНВ)

Рассмотрим диаграмму работы (рис. 10.6, справа). В момент отрицательного перепада на тактовом входе Т, RS-триггер устанавливается в единицу по выходу Q. Так как на входе Т в этот момент отрицательный уровень, ключ D1/1 открывается, остальные ключи заперты. Конденсатор подключается в обратную связь верхнего ОУ (DA1/1) и начинается цикл интегрирования входного напряжения (напряжение на конденсаторе возрастает по абсолютной величине, т. е. на выходе DA1/1 падает, т. к. интегратор инвертирующий). В момент окончания отрицательного полупериода тактовой частоты ключ D1/1 запирается, а D1/3 открывается, заряженный конденсатор оказывается подключенным в обратную связь второго ОУ (DA1/2).

Начинается цикл интегрирования опорного напряжения (изменение напряжения на конденсаторе показано на диаграмме пунктирной линией). Так как обратная связь в первом ОУ теперь отсутствует, то он сработает, как компаратор: сначала на его выходе установится напряжение, равное отрицательному питанию (или близкое к нему), а в момент равенства напряжения на конденсаторе нулю выход резко устремится от отрицательного к положительному питанию (но его ограничит на уровне примерно +0,6 В диод, включенный в обратную связь, который нужен для того, чтобы не затягивать переходной процесс). Положительный перепад передастся на обнуляющий вход RS-триггера и установит его выход Q в состояние логического нуля. При этом откроется ключ D1/2 и закоротит конденсатор, прерывая таким образом процесс интегрирования. На входе верхнего ОУ установится напряжение, равное нулю, а на выходе, вообще говоря, т. к. обратная связь по-прежнему отсутствует, оно станет неопределенным (на диаграмме оно показано условно в виде нулевого уровня). Это состояние длится до конца периода тактовой частоты, а с отрицательным перепадом на входе Т ключи Dl/З и D1/2 закроются и все начнется сначала. На выходе схемы возникает положительный импульс напряжения, длительность которого t 3 - t 2пропорциональна входному напряжению, согласно соотношению:

(t 3 - t 2)/ (t 2 - t 1) = U вх/ U оп

где промежуток времени t 2 - t 1жестко задан внешним тактовым генератором.

Описанная схема рассчитана для получения разрешающей способности 12 разрядов или 4096 градаций. Максимальная частота отсчетов при тактовой частоте 1 МГц составит 122 Гц. Исходя из этого выбраны величины сопротивлений и емкость конденсатора. Точность преобразования напрямую зависит от стабильности резисторов, поэтому их нужно выбирать с точностью не хуже 0,1 %, в этом случае абсолютная точность может достигнуть 10 разрядов без дополнительной калибровки. Однако U оптоже должно иметь не меньшую стабильность.

По такому принципу устроены АЦП 572ПВ2 и 572ПВ5, которые мы будем подробнее рассматривать далее. Ранее были широко распространены ПНЧ — преобразователи напряжение-частота (в основном на основе микросхемы 555, см. главу 9 ), однако большинство их реализаций обладает тем же недостатком, что и однократный интегратор, т. е. их точность зависит от качества компонентов напрямую. Значительно более точные преобразователи (до 24 двоичных разрядов) получаются на основе интегрирующих преобразователей, которые также используют принцип двойного интегрирования, но на их выходе получается не интервал времени, который еще нужно сосчитать, а число-импульсный код, т. е. число импульсов за определенный промежуток времени, пропорциональное входному напряжению. АЦП такого типа называются еще дельта-сигма-преобразователями или АЦП с уравновешиванием заряда . Они широко распространены в интегральном исполнении, большинство наиболее высокоразрядных АЦП построены именно так.

Цифровые термометры конструировать самостоятельно имеет практический смысл по крайней мере по двум причинам. Во-первых, фирменные приборы для жилых или производственных помещений обычно имеют невзрачный дизайн с ЖК-индикаторами и корпусами белого или «компьютерного» серого цвета. Во-вторых, рынок подобных бытовых устройств вообще достаточно беден, чему есть одна веская причина: сделать дешевый, достаточно точный и притом универсальный цифровой термометр, который, подобно традиционным спиртовым, можно и в воду опускать, и на мороз зимой выставить, очень непросто. Терпеливый радиолюбитель вполне может сделать конструкцию куда лучше фирменной — удобную, красивую и приспособленную под свои нужды, а «приставить» к такому термометру измеритель влажности, давления и еще чего угодно — вопрос только денег, и мы займемся этим позднее.

АЦП 572ПВ2 и ПВ5

Основой принципиальной схемы нашего термометра будет выпускающаяся уже более 20 лет очень удачная разработка 572ПВ2 (ICL7107), которая представляет собой АЦП двойного интегрирования с выходом в параллельном семисегментном коде с расчетом на 3,5 десятичных разряда.