Применение аналого-цифровых преобразователей в современной технике

Современные измерительные системы почти всегда живут в двуединстве: датчик выдает непрерывный по времени аналоговый сигнал, а вычислитель работает с дискретным кодом. Между этими мирами стоит аналого-цифровой преобразователь, и именно здесь проявляется главный конфликт – как сохранить информацию о входной величине, если преобразование включает временные этапы, сравнения с опорой и действия, связанные с внутренними состояниями схемы. Особенно заметны эти противоречия в цифровых вольтметрах и телеметрии, где недоучет потерь во времени, дрейфов опорных порогов и несимметрии усилительных трактов сразу отражается на погрешности.

Цель доклада состоит в том, чтобы проследить, как конструктивные решения для интегрирующих АЦП уменьшают потери информации и погрешности сравнения, а затем показать, как эти результаты согласуются с требованиями цифровой обработки. Для ее достижения выполняются систематизация областей применения АЦП в измерении и контроле, описание двухэтапной логики интегрирующего преобразования и причин временной потери данных, сопоставление подходов с интегрированием на всем интервале преобразования. Далее формулируются принципы построения двухполярных опорных напряжений и приводится методика расчета точностных параметров с учетом резисторов, ОУ и токов смещения. Наконец, рассматриваются аппаратная калибровка смещения и синфазного уровня для конвейерных АЦП и связь выходных цифровых кодов с фильтрацией при «настройке на лету».

Объект – современные системы сбора данных и контроля, где непрерывные сигналы датчиков преобразуются в цифровой код для последующей обработки. Предмет – свойства и характеристики аналого-цифрового преобразования в интегрирующих время-импульсных АЦП: точность сравнения относительно опорных порогов, влияние дрейфов и токов смещения на пороги и управляющие интервалы, а также влияние фильтрации и переходных процессов в цифровом трактах на итоговое измерение.

В измерительной технике и в составе систем ввода–вывода вычислительных устройств аналого-цифровые преобразователи выступают связующим звеном между непрерывными сигналами датчиков и цифровыми алгоритмами контроля. На практике АЦП встречаются в цифровых вольтметрах и телеметрии, в задачах диагностики радиоэлектронной аппаратуры и при проверке измерительных трактов в динамических режимах. В такой среде особенно важно, что архитектура преобразователя определяет не только разрешение, но и качество самого процесса: от устойчивости опорных уровней до того, насколько преобразователь успевает «удержать» информацию о входной величине до момента формирования кода.

Наиболее наглядной оказывается логика интегрирующего АЦП время-импульсного типа, широко применяемого в современных цифровых вольтметрах. Здесь преобразование делится на интегрирование и счет: интегратор формирует информационный заряд, а на этапе счета выполняется сравнение с опорным значением, сохраненным в структуре преобразователя. Проблема возникает на стыке этих этапов – когда во время счета входная информация не поступает в интегрирующий канал, образуются временные «окна», способные приводить к потере сведений о сигнале. Решением становится идея построения интегрирующего преобразователя, где интегрирование происходит на всем интервале времени преобразования; за счет устранения служебных фаз, связанных с сбросом/обнулением, схема точнее удерживает картину входной величины.

Достижение более точного сравнения требует надежной системы опорных уровней. В интегрирующих архитектурах это выражается в построении двухполярных опорных напряжений и в учете того, как пороги сравнения зависят от дрейфа, несимметрии и математической модели погрешности. Существенную часть общей ошибки формируют элементные параметры – прецизионные резисторы, операционные усилители, токи смещения и связанные с ними дрейфы; поэтому точностные оценки опираются на анализ влияния этих факторов, включая токи положительной обратной связи и входное смещение. Для серийных конвейерных АЦП критичны не только схемные решения, но и калибровка: автоматическая аппаратная процедура, обеспечивающая подбор кода для компенсации смещения и синфазного напряжения, снижает зависимость точности от старения без лазерной подгонки и электрического пережигания плавких перемычек. Полученный цифровой код далее работает в связке с цифровой обработкой: фильтрация влияет на форму переходных процессов, и при изменении частоты среза у управляемых цифровых фильтров возникают выбросы, которые приходится учитывать компенсационными стратегиями, проверяемыми моделированием.