Аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования

При использовании в цифровых мультиметрах аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного счёта и последовательного приближения достаточно удобны, но технологически проблема заключается в производстве высокоточной матрицы типа R-2R Причём, чем выше разрядность АЦП, тем точнее должна изготавливаться эта матрица. Более технологичен (и соответственно более дешев) АЦП двойного интегрирования, обобщенная схема которого представлена на рис. 1, а принцип работы пояснен на рис. 2.

Рис. 1. Структура АЦП двойного интегрирования

Рис. 2. Диаграмма напряжений АЦП двойного интегрирования

Основным элементом АЦП двойного интегрирования является интегратор, на вход которого с помощью ключей S1 и S2 может подаваться либо измеряемое напряжение Uвх, либо опорное напряжение от источника опорного напряжения (ИОН) противоположного знака. Выход интегратора связан с компаратором (К), который своим выходом управляет записью значений в регистр. Запуск счётчика и управление ключами осуществляется устройством управления. Генератор тактовых импульсов является высокостабильным узлом данного АЦП.

Вся работа АЦП разделена на две фазы:

• заряд конденсатора (С) за фиксированный интервал времени (время наполнения счетчика);
• разряд конденсатора током фиксированного значения (за счет подключения ИОН).

Исходное состояние — на выходе интегратора нулевое значения напряжения, и счётчик в нулевом состоянии. Замыкания ключа S1 — старт преобразования. При этом выходное напряжение интегратора начинает линейно возрастать (Фаза 1) . Этот процесс длится строго заданное время — до переполнения счётчика. Этот сигнал приводит к размыканию ключа S1 и замыканию ключа S2. В результате на вход интегратора подаётся опорное напряжение отрицательного значения. Выходное напряжение интегратора начинает убывать по линейному закону (Фаза 2). Когда напряжение на интеграторе снижается до нуля, срабатывает компаратор и останавливает счётчик и делает запись данных в регистр.

Достоинствами АЦП двойного интегрирования является возможность хорошо подавлять сетевые помехи и требуется меньше прецизионных элементов, важно только обеспечить хорошую стабильность ИОН и генератора. АЦП двойного интегрирования могут имеют разрядность до 18 бит. В тоже время, этот АЦП является медленно действующим. Следует отметить, что с повышением разрядности повышаются требования к работе компаратора. А из курса электроники известно, что чем точнее компаратор, тем хуже он работает на высоких частотах. Обычно, скорость измерений не превышает 3-х измерений в секунду. Это временное ограничение не позволяет построить на основе структуры классического цифрового мультиметра осциллограф (сразу после широкого появления цифровых мультиметров с интерфейсом в конце 90-х годов, некоторые любители пытались обсуждать возможность такого проекта). Как противопоставление невысокой скорости измерений в цифровых мультиметрах используется графическая шкала, расположенная на дисплее мультиметра ниже или выше цифровых показаний измеряемой величины.

Типичными представителями АЦП двойного интегрирования являются отечественные интегральные микросхемы К572ПВ2 (аналог ICL7107) и К572ПВ5 (аналог ICL7106). Тактовая частота (рекомендуемая) для преобразования 50 кГц, время преобразования 0,32 мс (16000 тактов). Тактовая частота 50 кГц обеспечивает полное целое число раз для помехи 50 Гц и, таким образом, помеха будет полностью интегрирована. Источник опорного напряжения для данной микросхемы 0,1...1 В. При значении 1 В максимальное отображаемое значение ±1,999 В (обычно именно это значение имеют как 3½ разряда). Ток потребления К572ПВ5 около 0,6 мА, что очень важно для ручных переносных приборов.