РОЗДІЛ 2
НОВІ ПРИНЦИПИ ТА МЕТОДИ
ЛОГАРИФМІЧНОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ
У першому розділі було показано, що можливості сучасних логарифмічних і
квазілогарифмічних АЦП за точністю і швидкодією практично вичерпані повністю.
Подальше підвищення цих показників вимагає або покращення технології
інтегральних схем, що малоймовірно, або використання для логарифмічного
аналого-цифрового перетворення нових фізичних явищ, які раніше з цією метою не
застосовувалися.
Останнім часом значну увагу дослідників привертають схеми на комутованих
конденсаторах, завдяки низці їх переваг [113,173]. Внаслідок цього досягнуто
помітного прогресу в цій області: реалізовані у вигляді інтегральних схем
середньої та великої степені інтеграції засоби найрізноманітнішого призначення,
зокрема, активні фільтри, підсилювачі, автоматичні регулятори підсилення,
цифро-аналогові перетворювачі, аналого-цифрові перетворювачі та інше
[113,132,133,173,258-260,262,263,268,269,272].
Приймаючи до уваги все більше поширення та розвиток найрізноманітніших
інтегральних схем на комутованих конденсаторах і їх переваги над традиційними
схемами, зупинимо свій вибір на схемах цього типу.
Реалізація лінійних АЦП на комутованих конденсаторах відома досить давно [251]
і тепер навіть випускаються інтегральні лінійні АЦП на комутованих
конденсаторах, точність яких доведена до 12 двійкових розрядів [260]. Принцип
перетворення цих АЦП базується на явищі перерозподілу заряду.
Необхідно підкреслити, що до початку наших досліджень [203,174,206] такий
принцип для логарифмічного аналого-цифрового перетворення не використовувався.
Крім перерозподілу заряду у комутованих конденсаторах має місце і явище
накопичення заряду [210,182, 168,169].
З урахуванням вищесказаного нами було запропоновано нові принципи
логарифмічного аналого-цифрового перетворення, зокрема, на основі явищ:
- перерозподілу заряду в комутованих конденсаторах [203,206];
- накопичення заряду комутованих конденсаторах [210,182];
- перерозподілу-накопичення заряду комутованих конденсаторах [168,169].
Дослідженню можливостей і особливостей використання явищ перерозподілу та
накопичення заряду у комутованих конденсаторах для логарифмічного
аналого-цифрового перетворення присвячено другий розділ.
2.1. Логарифмічне аналого-цифрове перетворення на основі перерозподілу заряду
Принцип логарифмічного аналого-цифрового перетворення на основі явища
перерозподілу заряду полягає у тому, що шляхом відбору від накопичуючого
конденсатора дозованих кількостей електрики забезпечуємо зміну компенсаційної
напруги (напруги на накопичуючому конденсаторі) за показниковим законом до
моменту рівності її вхідній напрузі та підраховуємо число дозувань, яке і буде
логарифмом відношення вхідної напруги до опорної напруги, причому значенню
останньої завжди рівне початкове значення компенсаційної напруги [206].
Зауважимо, що переважно вживають термін “логарифм вхідної напруги”, хоч
насправді логарифм можна взяти лише від безрозмірної величини, тобто числа, і
тому більш точно – “логарифм відношення вхідної напруги до опорної напруги”.
Розглянемо явище перерозподілу заряду і доведемо, що число дозувань дійсно є
логарифмом відношення вхідної напруги до опорної напруги.
Спрощена функціональна схема, що ілюструє принцип дії запропонованих нами ЛАЦП
на комутованих конденсаторах з перерозподілом заряду наведена на рис.2.1.1, де
позначено: КП – сигнал “Кінець перетворення”. Схема містить дозуючий (СД) і
накопичуючий (СН) конденсатори, три аналогові ключі (К0-К2) та компаратор Км.
Особливістю реалізації є те, що накопичуючий конденсатор повинен мати набагато
більшу ємність ніж дозуючий.
За командою схеми управління, що забезпечує потрібну послідовність перемикання
аналогових ключів, замикається ключ К0 і накопичуючий конденсатор СН
заряджається до рівня напруги UО. Після того ключ К0 розмикається і на
конденсаторі СН зберігається накопичений заряд QО, значення якого
, (2.1.1)
де СН - ємність накопичуючого конденсатора,
UО - значення опорної напруги.
Потім починається процес перетворення шляхом перерозподілу заряду між
конденсаторами СН і СД при почерговому переключенні ключів К2 і К1. Відмітимо
особливість роботи цих ключів: коли ключ К2 замнутий, то ключ К1 розімкнутий, і
навпаки, коли К1 замкнутий - К2 розімкнутий.
При дії першого тактового імпульсу ключ К1 замикається і накопичуючий
конденсатор СН віддає частину свого заряду дозуючому конденсатору СД; при цьому
сума зарядів на обох конденсаторах
(2.1.2)
Напруга на накопичуючому конденсаторі СН зменшується і, коли вона стане рівною
U1 - напрузі на дозуючому конденсаторі СД, то процес передачі заряду з СН на СД
припиняється. Отже, після дії першого тактуючого імпульса на накопичуючому
конденсаторі СН установиться напруга:
або (2.1.3)
і її приріст становитиме
Тут ; причому СД<<СН .
Після закінчення тактуючого імпульсу ключ К1 розмикається, а К2 замикається,
розряджаючи дозуючий конденсатор СД до нуля.
Другий тактуючий імпульс знову замкне ключ К1, що приведе до наступної віддачі
заряду накопичуючим конденсатором СН і зниження напруги на ньому до рівня U2.
Аналогічно до попереднього
де U2 - напруга, що встановиться на накопичуючому конденсаторі СН після другого
тактуючого імпульсу
або
а її приріст
або
При дії третього тактуючого імпульсу відбувається подальша віддача заряду
накопичуючим конденсатором СН і
Напруга на накопичуючому конденсаторі стає рівною
або
а її п
- Київ+380960830922