Наклон (интеграция) АЦП

StarLine A96 Fortress цифра и WINNER интеграция (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Наклон (интеграция) АЦП

Глава 13 - Цифро-аналоговое преобразование


До сих пор нам удалось избежать полного объема компонентов в конвертере флэш-памяти, используя ЦАП как часть нашей схемы АЦП. Однако это не наш единственный вариант. Можно избежать использования ЦАП, если мы заменим аналоговую линейную схему и цифровой счетчик с точным временем.

Основная идея заключается в так называемом однократном наклоне или интегрировании АЦП. Вместо использования ЦАП с линейным выходом мы используем схему ОУ, называемую интегратором, для генерации пилообразной формы сигнала, которая затем сравнивается с аналоговым входом компаратором. Время, необходимое для того, чтобы пилообразная волна превышала уровень напряжения входного сигнала, измеряется с помощью цифрового счетчика с тактовой частотной прямоугольной волной (обычно от кварцевого генератора). Здесь приведена принципиальная схема:

Показанная здесь схема транзистора с разрядником конденсатора IGFET немного упрощена. В действительности схема фиксации, синхронизированная с тактовым сигналом, скорее всего, должна быть подключена к затвору IGFET для обеспечения полного разряда конденсатора, когда выход компаратора будет высоким. Основная идея, однако, очевидна на этой диаграмме. Когда выход компаратора является низким (входное напряжение больше выходного сигнала интегратора), интегратору разрешается заряжать конденсатор линейным образом. Между тем счетчик подсчитывается со скоростью, фиксированной точностью тактовой частоты. Время, необходимое для того, чтобы конденсатор заряжался до того же уровня напряжения, что и вход, зависит от уровня входного сигнала и комбинации -V ref, R и C. Когда конденсатор достигает этого уровня напряжения, выходной сигнал компаратора становится высоким, загружая выход счетчика в сдвиговый регистр для конечного вывода. IGFET запускается «на» с высокой выходной мощностью компаратора, разряжая конденсатор до нуля. Когда выходное напряжение интегратора падает до нуля, выход компаратора переключается обратно в низкое состояние, очищая счетчик и позволяя интегратору снова нарастить напряжение.

Эта схема АЦП ведет себя очень похоже на цифровой рампы АЦП, за исключением того, что опорное напряжение компаратора является гладким пилообразного, а не «stairstep:»

АЦП с одним наклоном испытывает все недостатки цифрового АЦП с дополнительным недостатком калибровочного дрейфа . Точное соответствие этого выхода АЦП с его входом зависит от наклона напряжения интегратора, согласованного со скоростью счета счетчика (тактовой частоты). С цифровым рамным АЦП тактовая частота не влияла на точность преобразования, только на время обновления. В этой схеме, поскольку скорость интегрирования и скорость счета не зависят друг от друга, разница между ними неизбежна по мере ее возраста и приведет к потере точности. Единственное, что можно сказать об этой схеме, это то, что она избегает использования ЦАП, что снижает сложность схемы.

Ответ на эту дилемму диверсификации калибровки можно найти в варианте конструкции, называемом преобразователем с двойным наклоном . В преобразователе с двойным наклоном схема интегратора управляется положительным и отрицательным в чередующихся циклах, чтобы замедляться, а затем вверх, а не восстанавливаться до 0 вольт в конце каждого цикла. В одном направлении разгона интегратор управляется положительным аналоговым входным сигналом (создающим отрицательную, переменную скорость изменения выходного напряжения или наклон напряжения) в течение фиксированного промежутка времени, измеряемого счетчиком с тактовым частотовым частотным диапазоном. Затем в другом направлении с фиксированным опорным напряжением (с фиксированной скоростью изменения выходного напряжения) со временем, измеренным одним и тем же счетчиком. Счетчик прекращает отсчет, когда выход интегратора достигает того же напряжения, что и при начале фиксированной части цикла. Количество времени, которое требуется для конденсатора интегратора для возврата обратно на свое исходное выходное напряжение, измеряемое величиной, набираемой счетчиком, становится цифровым выходом схемы АЦП.

Метод двойного склона можно рассматривать аналогично в терминах вращающейся пружины, такой как та, которая используется в механическом механизме часов. Представьте, что мы строили механизм измерения скорости вращения вала. Таким образом, скорость вала - это наш «входной сигнал», который должен измеряться этим устройством. Цикл измерения начинается с пружины в расслабленном состоянии. Затем пружина поворачивается или «закручивается» вращающимся валом (входным сигналом) на фиксированное время. Это придает пружине определенное натяжение, пропорциональное скорости вала: большая скорость вала соответствует более быстрой скорости обмотки. и в течение этого периода накапливалось большее натяжение пружины. После этого пружина отсоединяется от вала и позволяет раскручиваться с фиксированной скоростью, время для ее восстановления назад в расслабленное состояние, измеренное устройством таймера. Время, затрачиваемое пружиной на эту фиксированную скорость, будет прямо пропорционально скорости, с которой она была намотана (величина входного сигнала) в течение фиксированной части цикла.

Эта технология аналого-цифрового преобразования исключает проблему калибровки калибровки однонаправленного АЦП, поскольку и интеграционный коэффициент интеграции (или «коэффициент усиления»), и скорость скорости счетчика действуют во время всей «обмотки» и «размотки» «Части цикла. Если бы тактовая частота счетчика внезапно увеличивалась, это сократило бы фиксированный период времени, когда интегратор «наматывается» (что приводит к меньшему напряжению, накопленному интегратором), но это также означает, что он будет считать быстрее в течение периода когда интегратору было разрешено «раскручиваться» с фиксированной скоростью. Соотношение, которое счетчик будет считать быстрее, будет такой же, как и накопленное напряжение интегратора, уменьшилось до изменения тактовой частоты. Таким образом, ошибка тактовой частоты будет отменена, и цифровой выход будет именно тем, каким он должен быть.

Другим важным преимуществом этого метода является то, что входной сигнал усредняется по мере того, как он управляет интегратором в течение фиксированной части цикла. Любые изменения в аналоговом сигнале в течение этого периода времени оказывают кумулятивное влияние на цифровой выход в конце этого цикла. Другие стратегии АЦП просто «захватывают» уровень аналогового сигнала в один момент времени в каждом цикле. Если аналоговый сигнал «шумный» (содержит значительные уровни спайков / провалов ложного напряжения), одна из других технологий преобразователя АЦП может иногда конвертировать всплеск или провал, потому что он фиксирует сигнал повторно в один момент времени. С другой стороны, ADC с двойным наклоном усредняет вместе все шипы и провалы в течение периода интеграции, тем самым обеспечивая выход с большей помехоустойчивостью. АЦП с двойным наклоном используются в приложениях, требующих высокой точности.