Давным-давно люди выбрались из первобытной аналоговой трясины и начали осваивать цифровые технологии. Вскоре они заметили и количественно оценили фундаментальную потребность в соединении своих новых квантованных цифровых новинок с классическим континуумом предтеч инженерного мира. Так возник АЦП.

Конечно, существовало (и существует) множество схем АЦП. Одной из самых ранних и простых была схема с однократным интегрированием.

АЦП однократного интегрирования бывают двух типов. В одном из них формируется аналоговое линейно нарастающее напряжение, которое сравнивается с входным сигналом. Время, необходимое для того, чтобы линейно нарастающее напряжение выросло от нуля (или почти) до уровня, равного входному сигналу, пропорционально амплитуде входного сигнала и принимается за результат его цифрового преобразования.

Недавно мы увидели пример, представленный доктором Джорданом Димитровым в нашем разделе «Конструкторские идеи» в статье «Преобразователь напряжения в период обеспечивает высокую линейность и большую скорость» [1].

В другом варианте АЦП однократного интегрирования конденсатор заряжается до входного напряжения, а затем линейно разряжается до нуля. Необходимое для этого время пропорционально входному напряжению V_IN и считается результатом преобразования. (Чрезвычайно!) простой и недорогой пример такого типа был опубликован EDN около двух с половиной лет назад в статье «"Бесплатный" АЦП» [2].

простота и дешевизна, несомненно, хороши, иногда слишком много хорошего может быть не таким уж хорошим. Схема на Рисунке 1 добавляет несколько усовершенствований (и немного увеличивает стоимость) в базовую конструкцию в целях повышения точности на порядок (или два) и, возможно, некоторого повышения скорости.

Рисунок 1.	Простой быстрый АЦП однократного интегрирования с двухэтапным циклом преобразования. (IQ1 – ток транзистора Q1).

Вот как это работает:

1. (ПРЕОБРАЗОВАНИЕ = 1): ключ U1 заряжает конденсатор C1 до напряжения V_IN.
2. (ПРЕОБРАЗОВАНИЕ = 0): C1 разряжается током 100 мкА, вытекающим из источника тока Z1-Q1.

Примечание: элементы Z1, C1 и R2 должны быть точных типов.

Преобразование происходит в два этапа, выбираемых одним битом GPIO управляющего микроконтроллера, настроенным на вывод (ПРЕОБРАЗОВАНИЕ/ ВЫБОРКА).

Постоянная времени выборки при заряде, определяемая емкостью конденсатора C1, регулятором Z1, сопротивлением замкнутого ключа U1 и входным сопротивлением транзистора Q2, составляет примерно 10 мкс.

Для завершения зарядки с точностью до ½ младшего бита при 12-битном разрешении требуется интервал ВЫБОРКИ, равный:

10 мкс × ln(2¹²⁺¹) = 90 мкс.

Затем микроконтроллер может вернуть 0 (ПРЕОБРАЗОВАНИЕ) на управляющий вход схемы, в результате чего входная сторона конденсатора C1 подключится к земле, и на базу транзистора компаратора будет подано отрицательное напряжение, равное –V_IN плюс «небольшая добавка» (порядка 12 мВ).

Последнее обеспечивается конденсатором C2, компенсирующим смещения нуля, которое в противном случае возникло бы из-за конечного усиления напряжения и времени хранения транзистора Q2.

При выходе транзистора Q1 из насыщения уровень сигнала ИНТЕГРИРОВАНИЕ становится положительным. Такое состояние сохраняется до завершения разряда конденсатора C1 и следующего включения Q1. Этот интервал равен

Если подключенный таймер/счетчик микроконтроллера работает на частоте 20 МГц, максимальное накопленное число отсчетов и разрешение преобразования составят 4000, или 11.97 бит.

Этот цикл преобразования длительностью 1 мс, соответствующей точности примерно 12 бит, иллюстрируется Рисунком 2. Следует отметить, что неотъемлемой характеристикой данной схемы являются хорошие значения интегральной и дифференциальной нелинейности.

Рисунок 2.	Формы сигналов АЦП однократного интегрирования. Длительность ВЫБОРКИ (12 бит) равна 90 мкс. Максимальная длительность этапа ИНТЕГРИРОВАНИЕ составляет 1 мс. Амплитуда 5 В пик-пик.

Конечно, не все источники сигнала смогут корректно работать на нагрузку, создаваемую этой последовательностью преобразования, и не для всех приложений погрешность имеющихся источников опорного напряжения LM4041 и номиналов компонентов R1C1 будет достаточно низкой.

Решения обеих проблем показаны на Рисунке 3. Типичный КМОП rail-to-rail усилитель в качестве A1 устраняет проблему входной нагрузки, а подстроечный резистор R5 обеспечивает удобный способ улучшения калибровки преобразования.

Рисунок 3.	Входной буфер A1 разгружает источник входного напряжения VIN, а потенциометр калибровки повышает точность.

1. Datasheet Texas Instruments LM4041N
2. Datasheet Texas Instruments TS5A3160
3. Datasheet Central Semiconductor 2N5087