Интегрирующие (односкалонные) АЦП: принципы, преимущества и двухскалонные альтернативы

Пока вспышечные АЦП выигрывают в скорости, их большой состав компонентов может быть запретительным. Распространенная стратегия снижения сложности — замена ЦАП-рампы вспышечного АЦП на аналоговый интегратор и точный цифровой счетчик, что дает односкалонный (интегрирующий) АЦП.

В этой архитектуре операционный интегратор генерирует непревную пилообразную форму. Аналоговый вход сравнивается с этой рампой высокоскоростным компаратором. Момент переключения компаратора указывает на совпадение напряжения интегратора с входом, а прошедшее время фиксируется счетчиком, тактируемым от кварцевого генератора.

Ниже показана основная блок-схема:

На схеме упрощен IGFET-транзистор разряда; на практике защелкивающая схема, синхронизированная с тактом, обеспечивает полный разряд конденсатора при срабатывании компаратора.

Во время преобразования выход компаратора низкий, пока вход превышает выход интегратора. Интегратор линейно заряжает конденсатор, а счетчик инкрементируется с фиксированной частотой. Когда напряжение на конденсаторе уравнивается с входом, компаратор переключается в высокое состояние, защелкивая значение счетчика в сдвиговый регистр и открывая IGFET для разряда конденсатора до нуля.

После падения напряжения интегратора до нуля компаратор снова переходит в низкое состояние, сбрасывая счетчик и разрешая следующий цикл. Фактически, односкалонный АЦП ведет себя как рамповый, но с гладкой пилообразной опорой вместо ступенчатой.

Несмотря на исключение ЦАП, односкалонная архитектура страдает от калибровочного дрейфа. Точность преобразования зависит от точного совпадения наклона интегратора (задаваемого –V_ref, R и C) и частоты тактового генератора счетчика; дрейф любого параметра ухудшает характеристики. В отличие от рампового АЦП, где такт влияет только на время обновления, здесь интегрирование и подсчет взаимосвязаны, делая схему уязвимой к старению и температурным изменениям.

Однако сниженное число компонентов и упрощенная топология могут быть привлекательны для дешевых низкоэнергозатратных приложений.

Эта схема АЦП ведет себя очень похоже на рамповый, за исключением того, что опорное напряжение компаратора — гладкая пила, а не «ступеньки».

Двухскалонный преобразователь

Двухскалонный АЦП решает проблему дрейфа калибровки, используя две фазы интегрирования. В первой фазе интегратор заряжается неизвестным входным сигналом в течение фиксированного интервала, измеряемого счетчиком. Во второй фазе интегратор разряжается известным опорным напряжением с постоянной скоростью; время возврата к исходному напряжению подсчитывается.

Отношение двух временных интервалов напрямую дает цифровое значение, и поскольку интегрирование и подсчет происходят в одном цикле, любое изменение частоты тактового генератора сокращается. Более быстрый такт сокращает фиксированную фазу, но ускоряет и подсчет разряда, оставляя результат неизменным.

Кроме того, усреднение, присущее фазе интегрирования, делает двухскалонные преобразователи высокоиммунными к импульсным помехам. Суммируя входной сигнал за окно интегрирования, пики и провалы сглаживаются, поэтому двухскалонные АЦП широко используются в точных измерительных приборах — мультиметрах и счетчиках энергии.

Подводя итог: хотя односкалонный АЦП предлагает более простой дизайн, двухскалонная архитектура обеспечивает высокую точность и помехоустойчивость ценой более длительного времени преобразования.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист: Аналого-цифровое преобразование