Разработка и анализ времяимпульсного аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования: от принципов до современных решений

В современной электронике, где мир аналоговых сигналов встречается с миром цифровых данных, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) выступают в роли незаменимого моста, преобразующего непрерывную информацию в дискретные числовые значения. Эта трансформация является краеугольным камнем для бесчисленных приложений – от высокоточных измерительных систем и медицинского оборудования до систем цифровой обработки сигналов и встроенных микроконтроллеров. В условиях, когда точность, помехозащищенность и надежность становятся приоритетными требованиями, особый интерес представляют времяимпульсные АЦП, а в их ряду – АЦП двухтактного интегрирования. Именно этот тип преобразователей, несмотря на относительно невысокое быстродействие, способен обеспечить исключительную точность и устойчивость к помехам, что делает его незаменимым в метрологических задачах, требуя при этом внимательного подхода к проектированию и выбору компонентов.

Целью данной работы является всестороннее исследование времяимпульсного аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования. Мы последовательно пройдем путь от фундаментальных принципов его работы до детального анализа схемотехнических решений, метрологических характеристик, методов оптимизации и современных тенденций развития. Задачи курсовой работы включают: глубокое изучение принципов функционирования, анализ структурной схемы и роли каждого компонента, математическое обоснование процессов преобразования, оценку метрологических параметров и погрешностей, а также рассмотрение практических аспектов моделирования. Представленный материал ориентирован на студентов технических специальностей, предоставляя исчерпывающую базу знаний, необходимую для успешного проектирования и применения АЦП в будущих инженерных проектах, что, несомненно, расширит их инженерный кругозор.

Теоретические основы аналого-цифрового преобразования и место времяимпульсных АЦП

В мире, где природа непрерывна, а вычислительные машины оперируют дискретными значениями, аналого-цифровое преобразование становится фундаментальной операцией. Это не просто перевод одного формата в другой, а сложный процесс, определяющий точность и надежность всего измерительного тракта.

Понятие аналого-цифрового преобразования и его этапы

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — это ключевое устройство, предназначенное для преобразования аналоговых, то есть непрерывных во времени и по уровню, сигналов в цифровую форму. Его антипод – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – выполняет обратную функцию, восстанавливая аналоговый сигнал из цифрового кода.

Процесс аналого-цифрового преобразования всегда включает три ключевых этапа:

1. Дискретизация: На этом этапе непрерывный аналоговый сигнал преобразуется во временные отсчеты. Проще говоря, мы «снимаем показания» с сигнала через строго определенные, фиксированные интервалы времени. Частота дискретизации (или частота выборки) определяет, насколько точно временная форма исходного сигнала будет воспроизведена в цифровом представлении. Согласно теореме Котельникова-Шеннона, для точного восстановления сигнала частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше максимальной частоты в спектре исходного аналогового сигнала, что является критически важным для сохранения информации.
2. Квантование по уровню: После дискретизации мы получаем последовательность временных отсчетов, каждый из которых все еще может принимать любое значение из заданного диапазона. Квантование заключается в представлении этих непрерывных значений дискретными, фиксированными уровнями. Весь диапазон возможных аналоговых значений делится на конечное число интервалов, и каждому интервалу присваивается определенный цифровой код.
   • Шаг квантования (МЗР — Младший Значащий Разряд): Это минимальное изменение входного аналогового напряжения, которое АЦП способен распознать и преобразовать в изменение выходного цифрового кода на единицу младшего разряда. Чем меньше шаг квантования, тем выше разрешающая способность АЦП.
   • Ошибка квантования: Это неотъемлемая, неустранимая погрешность, присущая любому процессу квантования. Она возникает из-за того, что аналоговое значение, лежащее в пределах одного интервала квантования, округляется до ближайшего дискретного уровня. Максимальная ошибка квантования обычно составляет ±0,5 МЗР, что важно учитывать при оценке общей точности системы.
3. Кодирование: На заключительном этапе каждому квантованному уровню присваивается уникальный цифровой код, обычно в двоичной системе счисления. Разрядность АЦП (например, 8-бит, 12-бит, 16-бит) определяет количество возможных дискретных уровней, которые он может различить (2^N, где N – разрядность). Чем выше разрядность, тем больше уровней, меньше шаг квантования и, как следствие, меньше ошибка квантования, что напрямую влияет на качество конечного цифрового представления.

Обзор основных методов аналого-цифрового преобразования

Мир АЦП удивительно разнообразен, и каждый метод имеет свои сильные и слабые стороны, определяющие его область применения. Рассмотрим основные из них:

• Параллельные АЦП (Flash ADC): Это самые быстрые преобразователи. Они используют массив компараторов, каждый из которых сравнивает входное напряжение с одним из множества опорных напряжений. Все компараторы работают одновременно, обеспечивая мгновенное преобразование. Главные недостатки — высокая стоимость, большая потребляемая мощность и значительная площадь кристалла при высокой разрядности. Применяются в осциллографах, радиолокации.
• АЦП последовательного приближения (SAR ADC): Один из наиболее распространенных типов, предлагающий хороший баланс между скоростью, точностью и энергопотреблением. Он последовательно сравнивает входное напряжение с напряжением, генерируемым внутренним ЦАП, который управляется регистром последовательного приближения. Каждый такт он определяет очередной бит выходного кода.
• Конвейерные АЦП (Pipelined ADC): Представляют собой многокаскадную структуру, где каждый каскад выполняет часть преобразования, затем передает результат следующему, работая параллельно с предыдущим. Это обеспечивает высокую производительность при умеренном энергопотреблении и площади кристалла.
• Сигма-дельта АЦП (ΣΔ ADC): Отличаются очень высокой точностью и разрешением при относительно невысокой скорости. Они используют передискретизацию (многократную выборку сигнала с частотой значительно выше Найквиста) и шумовое формирование (сдвиг шума квантования в высокочастотную область), что позволяет затем отфильтровать шум. Идеальны для аудио, прецизионных измерений.
• Интегрирующие АЦП: К ним относятся АЦП однотактного, двухтактного и многотактного интегрирования. Их принцип основан на преобразовании входного напряжения во временной интервал путем интегрирования, а затем измерении этого интервала. Они обладают высокой точностью и помехозащищенностью.

Среди этих методов, времяимпульсные АЦП, и особенно АЦП двухтактного интегрирования, занимают особую нишу, предлагая уникальное сочетание метрологических характеристик, которые делают их незаменимыми в определённых задачах.

Особенности и преимущества времяимпульсных АЦП двухтактного интегрирования

Времяимпульсный метод преобразования является элегантным решением, где количественная характеристика аналогового сигнала превращается во временную. Суть заключается в том, что входному аналоговому напряжению ставится в соответствие временной интервал, длительность которого пропорциональна этому напряжению. Цифровой эквивалент преобразуемого напряжения затем получается путем подсчета импульсов стабильной тактовой частоты в пределах этого сформированного временного интервала.

АЦП двухтактного интегрирования, являясь представителем времяимпульсных преобразователей, обладают рядом выдающихся достоинств:

• Высокая точность: Эти АЦП способны достигать точности до 0,01%. Такая прецизионность обусловлена тем, что в процессе двухтактного интегрирования влияние нестабильности постоянной интегрирования (RC) и частоты тактового генератора в значительной степени компенсируется, если эти параметры остаются постоянными в течение одного цикла преобразования.
• Высокое разрешение: Интегрирующие АЦП могут обеспечивать разрешение в 4-6 десятичных знаков, что эквивалентно 14-20 двоичным разрядам. Это делает их идеальными для высокоточных измерительных задач, где необходимо различать мельчайшие изменения входного сигнала.
• Отличная помехозащищенность: Благодаря своему принципу работы, основанному на усреднении входного сигнала за фиксированный временной интервал, АЦП двухтактного интегрирования демонстрируют высокую устойчивость к помехам, особенно к периодическим. Если период помехи (например, сетевых наводок 50/60 Гц) кратен времени интегрирования, такая помеха практически полностью подавляется. Это критически важно в промышленных условиях, где электромагнитные помехи являются обыденным явлением.
• Простота реализации: Относительно простая структурная схема и использование стандартных аналоговых компонентов делают эти АЦП экономически выгодными для массового производства.

Однако, как и любая технология, АЦП двухтактного интегрирования не лишены недостатков. Главным из них является низкое быстродействие. Типичное время преобразования для обеспечения высокой помехозащищенности и точности может составлять от 1 до 1000 мс (часто в диапазоне 20-40 мс). Это ограничивает их применение в системах, требующих высокой скорости оцифровки быстро меняющихся сигналов, таких как видео или радиолокация. Тем не менее, для медленно меняющихся параметров, требующих максимальной точности (например, термометрия, весы, промышленные датчики), они остаются оптимальным выбором, что подтверждает их непреходящую ценность.

Структура и принцип работы времяимпульсного АЦП двухтактного интегрирования

Для того чтобы понять, как времяимпульсный АЦП двухтактного интегрирования достигает своей высокой точности и помехозащищенности, необходимо глубоко погрузиться в его внутреннее устройство и логику работы. Этот преобразователь, по своей сути, представляет собой мастерски организованный «тандем» аналоговых и цифровых блоков, работающих в строгой временной последовательности.

Общая структурная схема и функциональное назначение блоков

Упрощенная структурная схема АЦП двухтактного интегрирования представляет собой синтез нескольких ключевых функциональных блоков, каждый из которых выполняет свою специфическую задачу в общем процессе преобразования:

Основные функциональные блоки и их роли:

• Интегратор с входными ключами (S₁, S₂): Это сердце АЦП. Он обычно реализуется на базе операционного усилителя (ОУ) с конденсатором в цепи обратной связи. На его вход через аналоговые ключи подается либо измеряемое входное напряжение U_вх, либо опорное напряжение U_оп противоположного знака. Интегратор накапливает заряд, и напряжение на его выходе изменяется пропорционально интегралу входного сигнала по времени.
• Компаратор: Сравнивает напряжение на выходе интегратора с неким пороговым уровнем, обычно с нулем. Как только напряжение интегратора достигает этого уровня, компаратор меняет свое состояние, генерируя логический сигнал. Этот сигнал служит индикатором завершения фазы интегрирования опорного напряжения.
• Формирователи импульсов: Эти блоки преобразуют аналоговые сигналы компаратора в четкие цифровые импульсы, пригодные для обработки цифровыми схемами, такими как RS-триггер и счетчик.
• RS-триггер (или другой элемент управления): Это цифровой элемент памяти, который фиксирует начало и конец временного интервала, соответствующего входному напряжению. Он запускается сигналом начала интегрирования и сбрасывается сигналом компаратора.
• Счетчик: Цифровой блок, предназначенный для подсчета импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов, в течение заданного временного интервала, который формируется RS-триггером. Количество подсчитанных импульсов прямо пропорционально длительности этого интервала.
• Генератор тактовых импульсов (ГТИ): Источник стабильной периодической последовательности импульсов с фиксированной частотой f_такт. Эта частота является эталоном времени для счетчика.
• Устройство управления (или блок логики): Синхронизирует работу всех блоков. Оно управляет состоянием аналоговых ключей, запускает и останавливает счетчик, сбрасывает его, а также определяет длительность фазы интегрирования входного напряжения (T₁).

Взаимосвязь между блоками очевидна: устройство управления последовательно активирует ключи, подавая сигналы на интегратор. Компаратор отслеживает выход интегратора, а его сигнал, обработанный формирователем, запускает/останавливает счетчик через RS-триггер, пока генератор тактовых импульсов непрерывно отсчитывает «единицы времени».

Детальный алгоритм работы: Фазы интегрирования

Работа АЦП двухтактного интегрирования строится на двух строго определенных временных фазах, которые обеспечивают его уникальные метрологические свойства.

Фаза 1: Интегрирование входного напряжения (Фаза заряда)

Начало цикла преобразования. В этой фазе устройство управления замыкает ключ S₁ (или S_А1), подавая измеряемое входное напряжение U_вх на вход интегратора. Ключ S₂ (или S_А2) при этом разомкнут. Интегратор начинает интегрировать входное напряжение U_вх в течение строго фиксированного интервала времени T₁ (или T₀).

Напряжение на выходе интегратора U_{вых_инт} изменяется по линейному закону (при условии постоянства U_вх в течение T₁):

Uвых_инт = - (1 / RC) ∫ Uвх dt

где:

• R — сопротивление входного резистора интегратора;
• C — емкость конденсатора в цепи обратной связи интегратора.

К концу первой фазы, то есть в момент времени T₁, напряжение на выходе интегратора достигнет значения U_инт(T₁), которое пропорционально среднему значению входного напряжения за этот интервал:

Uинт(T1) = - (Uвх_ср ⋅ T1) / (RC)

Длительность первой фазы T₁ (или T₀) часто определяется внутренним таймером или счетчиком, который отсчитывает фиксированное количество импульсов от генератора тактовых импульсов с коэффициентом пересчета K_сч.

Пример выбора постоянной интегрирования RC:
Предположим, входное напряжение U_вх может достигать 1 В, время интегрирования T₁ = 20 мс, а операционный усилитель интегратора имеет напряжение насыщения ±10 В. Чтобы выходное напряжение ОУ не превысило 10 В, произведение (U_{вх_макс} ⋅ T₁) / (RC) не должно превышать 10 В.
Тогда RC ≥ (U_{вх_макс} ⋅ T₁) / U_{насыщения} = (1 В ⋅ 20 мс) / 10 В = 2 мс.
Если выбрать, например, R = 20 кОм, то C ≥ 2 мс / 20 кОм = 0,1 мкФ. Выбор C = 1 мкФ даст RC = 20 мс, что обеспечит достаточное изменение напряжения на выходе интегратора без насыщения и хорошее усреднение сигнала, что имеет решающее значение для предотвращения искажений.

Фаза 2: Интегрирование опорного напряжения (Фаза разряда)

По завершении интервала T₁ (обычно по заднему фронту управляющего импульса), устройство управления размыкает ключ S₁ и замыкает ключ S₂. На вход интегратора теперь подается опорное напряжение U_оп, которое имеет полярность, противоположную входному напряжению U_вх.

Напряжение на выходе интегратора начинает линейно уменьшаться (или увеличиваться, в зависимости от полярности U_вх и U_оп) от значения U_инт(T₁) к нулю.

В этот момент, одновременно с подачей U_оп, запускается счетчик тактовых импульсов. Компаратор непрерывно отслеживает напряжение на выходе интегратора. Как только напряжение на интеграторе становится равным нулю, компаратор генерирует сигнал, который останавливает счетчик. Длительность этого интервала, в течение которого интегратор разряжался до нуля, обозначается как T_х (или T₂).

Так как в обеих фазах интегрирование происходит с одинаковой постоянной времени RC, и начальное напряжение на интеграторе в фазе 2 равно конечному напряжению из фазы 1, можно приравнять модули изменений напряжения:

|Uинт(T1)| = |(Uоп ⋅ Tх) / (RC)|

Подставив значение U_инт(T₁) из Фазы 1:

|(Uвх_ср ⋅ T1) / (RC)| = |(Uоп ⋅ Tх) / (RC)|

Отсюда следует, что:

Tх = T1 ⋅ (|Uвх_ср| / |Uоп|)

Цифровой код результата преобразования D определяется путем подсчета импульсов стабильной тактовой частоты f_такт в течение интервала T_х:

D = Tх ⋅ fтакт

Подставляя выражение для T_х:

D = (T1 ⋅ fтакт / Uоп) �� Uвх_ср

Это ключевое выражение демонстрирует выдающееся свойство АЦП двухтактного интегрирования: результат преобразования (цифровой код D) не зависит от тактовой частоты генератора f_такт и постоянной интегрирования RC, если они остаются постоянными в течение всего цикла преобразования (T₁ + T_х). Это свойство является основой для достижения высокой точности, вплоть до 0,01%, поскольку исключает влияние дрейфа этих параметров на конечный результат. Входное напряжение усредняется, что также обеспечивает высокую помехозащищенность.

Временные диаграммы работы преобразователя

Для наглядности процессов, происходящих в АЦП двухтактного интегрирования, крайне полезно рассмотреть временные диаграммы, иллюстрирующие изменение напряжений и состояний ключевых элементов.

Пояснения к диаграмме:

• U_вх (Входное напряжение): Предполагаем постоянное или медленно меняющееся напряжение в течение цикла преобразования.
• Управляющий сигнал ключа S₁: Высокий уровень в течение интервала T₁ (T₀), что соответствует фазе интегрирования входного напряжения.
• Управляющий сигнал ключа S₂: Высокий уровень в течение интервала T_х (T₂), что соответствует фазе интегрирования опорного напряжения.
• U_{вых_инт} (Напряжение на выходе интегратора):
  • В течение T₁: напряжение на выходе интегратора линейно изменяется (например, уменьшается, если U_вх положительно, а интегратор инвертирующий) от нуля до пикового значения U_инт(T₁).
  • В течение T_х: напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в обратном направлении (например, увеличиваться, если U_оп отрицательно) от U_инт(T₁) обратно к нулю.
• Выход компаратора: Переключается из одного состояния в другое (например, с логической «0» на «1») точно в момент, когда U_{вых_инт} достигает нуля в конце фазы T_х. Этот фронт сигнала компаратора используется для остановки счетчика.
• Счетчик (счет импульсов):
  • В течение T₁: счетчик может быть сброшен в ноль или находиться в ожидании.
  • В течение T_х: счетчик активно подсчитывает импульсы от генератора тактовых импульсов, начиная с момента переключения ключа S₂ и заканчивая сигналом от компаратора. Накопленное значение N_х = D.

Эти диаграммы четко показывают последовательность событий и их временную привязку, позволяя визуализировать, как аналоговое напряжение преобразуется в пропорциональный ему временной интервал, а затем в цифровой код.

Схемотехническая реализация и выбор компонентов ключевых узлов

Детальное понимание схемотехнической реализации и тщательный выбор компонентов являются краеугольным камнем для создания высокоточного и стабильного АЦП двухтактного интегрирования. Каждый узел – от интегратора до источника опорного напряжения – вносит свой вклад в общие метрологические характеристики, и компромиссы в выборе могут существенно повлиять на конечный результат.

Интегратор на базе операционного усилителя

Интегратор – это не просто сумматор, а устройство, накапливающее заряд, и именно на его плечи ложится задача преобразования входного напряжения в изменяющийся линейно временной сигнал. Классическая реализация интегратора основана на операционном усилителе (ОУ) с конденсатором в цепи обратной связи.

Напряжение на выходе такого интегратора U_вых определяется по формуле:

Uвых(t) = - (1 / RC) ∫0t Uвх(τ) dτ + Uвых(0)

где U_вых(0) — начальное напряжение на конденсаторе. В АЦП двухтактного интегрирования перед началом фазы интегрирования входного напряжения конденсатор обычно разряжается до нуля.

Требования к выбору постоянной интегрирования (RC):
Ключевым аспектом при проектировании интегратора является правильный выбор постоянной интегрирования RC. Она должна быть такой, чтобы напряжение на выходе операционного усилителя U_{вых_инт} не превышало его напряжение насыщения (U_нас) в течение всего цикла интегрирования, иначе сигнал будет искажен.

Напряжение на выходе интегратора к концу первой фазы (T₁) приближенно равно:

Uинт(T1) ≈ - (Uвх_ср ⋅ T1) / (RC)

где U_{вх_ср} — среднее значение входного напряжения.

Следовательно, для предотвращения насыщения ОУ должно выполняться условие:

|Uинт(T1)| ≤ |Uнас|

или

|(Uвх_макс ⋅ T1) / (RC)| ≤ |Uнас|

откуда:

RC ≥ (|Uвх_макс| ⋅ T1) / |Uнас|

Пример: При U_{вх_макс} = 5 В, T₁ = 20 мс и напряжении насыщения ОУ U_нас = 10 В:
RC ≥ (5 В ⋅ 20 мс) / 10 В = 100 мВ⋅с / 10 В = 0,01 с = 10 мс.
Если выбрать R = 100 кОм, то C ≥ 10 мс / 100 кОм = 0,1 мкФ.

Влияние нелинейности ОУ:
Идеальный операционный усилитель обладает бесконечным усилением и нулевым смещением. В реальных ОУ существуют нелинейности переходной статической характеристики, которые могут заметно влиять на интегральную нелинейность (INL) АЦП, особенно для преобразователей высокого разрешения (более 14-16 бит). Эти нелинейности проявляются как отклонение от идеальной линейной зависимости выходного напряжения от интеграла входного сигнала.
Для компенсации этого эффекта, особенно в высокоточных АЦП, могут применяться многотактные схемы интегрирования, а также тщательный выбор высококачественных прецизионных ОУ с низким смещением и высокой линейностью.

Компаратор: схемотехнические особенности и параметры

Компаратор – это устройство, которое принимает два входных напряжения и выдает на выходе логический сигнал, указывающий, какое из входных напряжений больше. В АЦП двухтактного интегрирования компаратор сравнивает выходное напряжение интегратора с нулевым уровнем и сигнализирует о моменте, когда это напряжение достигает нуля, завершая тем самым фазу разряда.

Ключевые требования к компаратору:

1. Малое время задержки (propagation delay): Это время между моментом, когда входное напряжение компаратора пересекает пороговый уровень, и моментом, когда на его выходе формируется стабильный логический сигнал. Высокое быстродействие компаратора (т.е. малое время задержки) крайне важно для снижения временной неопределенности (апертуры) при оцифровке сигналов, особенно если входное напряжение изменяется не идеально медленно. Например, существуют компараторы с временем задержки порядка 4,5 нс, что является превосходным показателем.
2. Низкое напряжение смещения (input offset voltage): Идеальный компаратор переключается ровно при равенстве входных напряжений. Реальные компараторы имеют небольшое внутреннее напряжение смещения, которое приводит к тому, что переключение происходит не при нулевой разнице напряжений, а при некотором малом значении. Это напрямую влияет на точность момента детектирования нуля и, следовательно, на общую точность АЦП.

Методы автоматической компенсации смещения:
Для повышения точности АЦП и компенсации смещения нуля как интегратора, так и компаратора, применяются специализированные схемотехнические решения. Одно из них – это схема автоматической компенсации смещения (auto-zeroing).

• В таких схемах компаратор может быть снабжен предусилителем, который дополнительно усиливает разность входных напряжений, уменьшая тем самым относительное влияние шумов и смещений самого компаратора.
• На входе интегратора может быть установлен дополнительный ключ, работающий синхронно с входными ключами. В фазе задания начальных условий (или фазе автокомпенсации) интегратор с предусилителем могут быть сконфигурированы таким образом, что на некоторой емкости компенсации (C_к) выделяется напряжение, которое в дальнейшем используется для компенсации напряжения смещения интегратора и компаратора. Это напряжение запоминается и вычитается (или добавляется) из входного сигнала в процессе преобразования, существенно уменьшая погрешность, вызванную смещением.

Аналоговые ключи и их характеристики

Аналоговые ключи – это электронные переключатели, которые коммутируют входное напряжение или опорное напряжение на вход интегратора. Их основная задача – обеспечить точное и быстрое переключение между источниками сигнала.

Ключевые параметры аналоговых ключей:

• Токи коммутации: Аналоговые ключи в АЦП двухтактного интегрирования коммутируют относительно небольшие токи, обычно не превышающие 10-50 мА. Это позволяет использовать стандартные CMOS-ключи с низким энергопотреблением.
• Сопротивление открытого ключа (R_ON): Когда ключ замкнут, он представляет собой некоторое сопротивление. Это сопротивление может варьироваться от 50 до 600 Ом в зависимости от типа ключа и условий работы. Важно, чтобы это сопротивление было стабильным и минимальным, поскольку оно последовательно соединяется с входным резистором интегратора и может влиять на постоянную интегрирования RC.
• Сопротивление закрытого ключа (R_OFF): В разомкнутом состоянии ключ должен обладать очень высоким сопротивлением (порядка гигаом), чтобы исключить утечки тока и помехи от неактивного источника сигнала.
• Время включения/выключения: Как и компаратор, ключи должны обладать малым временем переключения, чтобы минимизировать временные погрешности и обеспечить точное начало/конец фаз интегрирования.

Требование к высокоомной нагрузке:
Из-за относительно высокого сопротивления открытого ключа (R_ON), аналоговые ключи требуют наличия высокоомной нагрузки. Это требование легко удовлетворяется, так как входной каскад операционного усилителя интегратора обладает очень высоким входным сопротивлением (порядка мегаом или гигаом), что минимизирует влияние R_ON на входной сигнал.

Источник опорного напряжения (ИОН)

Источнику опорного напряжения (ИОН) принадлежит, пожалуй, наиболее критическая роль в обеспечении статической точности АЦП двухтактного интегрирования. Опорное напряжение U_оп служит масштабирующим фактором в формуле преобразования: D = (T₁ ⋅ f_такт / U_оп) ⋅ U_{вх_ср}.

Любая нестабильность или неточность U_оп напрямую и пропорционально отразится на цифровом результате. Если опорное напряжение изменяется, то вся шкала преобразования «плавает», что приводит к мультипликативной погрешности.

Требования к ИОН:

• Высокая точность: ИОН должен генерировать напряжение с минимальным отклонением от номинального значения.
• Высокая стабильность: Крайне важна стабильность ИОН во времени (дрейф напряжения) и в зависимости от внешних факторов, таких как температура (температурный коэффициент напряжения). Для высокоточных АЦП используются ИОН на базе стабилитронов с термокомпенсацией или специальные схемы bandgap-источников, которые обеспечивают очень низкий температурный дрейф.
• Низкий уровень шумов: Шум, генерируемый ИОН, будет добавляться к сигналу, ухудшая соотношение сигнал/шум и снижая эффективное разрешение АЦП.
• Достаточная нагрузочная способность: ИОН должен быть способен выдавать необходимый ток для питания цепей, к которым он подключен (например, для опорных резисторов или делителей напряжения), без существенного изменения своего выходного напряжения.

Выбор ИОН должен быть тщательно обоснован исходя из требуемой точности АЦП. Для 16-разрядного АЦП с полным диапазоном 5 В, МЗР составляет примерно 76 мкВ. Соответственно, любая нестабильность опорного напряжения в этом диапазоне уже приведет к погрешности в один МЗР.

Метрологические характеристики и анализ погрешностей АЦП двухтактного интегрирования

Метрологические характеристики АЦП – это набор параметров, которые количественно описывают его способность точно и надежно преобразовывать аналоговые сигналы в цифровой код. Понимание этих характеристик и источников погрешностей критически важно для оценки пригодности АЦП для конкретного применения и для его оптимизации.

Разрешающая способность и точность АЦП

Два понятия, которые часто путают, но которые принципиально различны:

• Разрешающая способность (Resolution): Это наименьшее изменение величины аналогового сигнала на входе АЦП, которое может быть преобразовано и отражено в изменении выходного цифрового кода. Разрешение напрямую связано с разрядностью АЦП, которая характеризует количество дискретных значений, выдаваемых преобразователем. Для двоичных АЦП разрешение измеряется в битах (например, 12-бит, 16-бит). Чем больше разрядность, тем большее количество дискретных уровней АЦП может различить, и тем выше его потенциальная разрешающая способность. Разрешение характеризует потенциальные возможности АЦП, то есть сколько уровней он может различить в идеальных условиях.

Например, 12-разрядный АЦП имеет 2¹² = 4096 уровней квантования. Если его входной диапазон составляет 0-5 В, то шаг квантования (1 МЗР) будет 5 В / 4096 ≈ 1,22 мВ.

• Точность (Accuracy): Это степень соответствия выходного цифрового кода истинному значению входного аналогового сигнала. Точность отражает, насколько близко реальное значение преобразованного сигнала к его идеальному значению. Важно понимать, что точность не идентична разрешению. АЦП с высокой разрядностью (например, 16-разрядный) может иметь меньшую точность, чем 12-разрядный, если его внутренние погрешности (шумы, нелинейности, дрейфы) слишком велики. Разрешение – это «сколько делений на линейке», а точность – «насколько эти деления ровные и соответствуют стандарту», что в конечном итоге определяет надежность измерений.

Виды погрешностей и методы их оценки

Погрешности АЦП можно разделить на неустранимые (присущие самому принципу преобразования) и устранимые (обусловленные неидеальностью компонентов и схемотехники).

1. Погрешность квантования:
   Это фундаментальная и неустранимая погрешность. Она возникает из-за того, что непрерывный аналоговый сигнал округляется до ближайшего дискретного уровня. Максимальная погрешность квантования составляет ±0,5 МЗР. Для 12-разрядного АЦП с диапазоном 5 В, где 1 МЗР = 1,22 мВ, погрешность квантования будет ±0,61 мВ.
2. Аддитивная погрешность (Offset Error, погрешность смещения нуля):
   Проявляется как постоянный сдвиг всей передаточной характеристики АЦП относительно идеальной. Это означает, что даже при нулевом входном напряжении АЦП может выдавать ненулевой цифровой код, или же вся шкала измерений будет смещена. Корректируется путем вычитания постоянной величины из выходного кода или с помощью схем автокомпенсации нуля.
3. Мультипликативная погрешность (Full-Scale Error, погрешность наклона):
   Проявляется как изменение наклона передаточной функции АЦП. Она представляет собой разность между идеальной и реальной характеристиками в точке максимального выходного значения (full scale). Эта погрешность часто связана с неточностью источника опорного напряжения или коэффициентов усиления аналоговых трактов. Корректируется путем масштабирования выходного кода.
4. Дифференциальная нелинейность (DNL — Differential Nonlinearity):
   Характеризует неоднородность ширин каналов АЦП. В идеальном АЦП каждый шаг квантования (каждый МЗР) должен соответствовать строго одинаковому изменению входного аналогового напряжения. DNL показывает, насколько реальная ширина каждого шага квантования отклоняется от идеальной. Если DNL > 1 МЗР, это означает, что некоторые цифровые коды могут быть пропущены (т.е. АЦП никогда не выдаст этот код). Если DNL < -1 МЗР, это означает, что один код может появляться для диапазона входных напряжений, превышающего один МЗР, что ведет к потере уникальности.
   DNL в процентах может быть рассчитана как:
   DNL = 50 ⋅ (Wmax - Wmin) / Wavg
   где W_max, W_min и W_avg — максимальная, минимальная и средняя ширины каналов (т.е. диапазон входного напряжения, соответствующий изменению выходного кода на 1 МЗР).
5. Интегральная нелинейность (INL — Integral Nonlinearity):
   Характеризует максимальное отклонение реальной передаточной характеристики АЦП от идеальной прямой. Идеальная прямая может быть проведена либо через начальную и конечную точки диапазона преобразования (метод «конечных точек»), либо путем подбора такой прямой, которая минимизирует максимальное отклонение (метод «наилучшего соответствия»). INL измеряется в МЗР и показывает общее отклонение функции преобразования от идеальной линейности, вызванное совокупностью нелинейностей всех компонентов.
6. Апертурная погрешность (джиттер):
   Это временная неопределенность или нестабильность момента выборки аналогового сигнала. Идеально, дискретизация должна происходить в строго определенный момент времени. Однако из-за шумов, нестабильности тактовых импульсов и различий во временах задержки внутри компаратора и других элементов возникает небольшой разброс (джиттер) момента выборки. Для быстро меняющихся сигналов даже небольшой джиттер может привести к значительным погрешностям в значении оцифрованного сигнала, поскольку сигнал успеет заметно измениться за этот неопределенный интервал.

Помехозащищенность и подавление помех

Одной из наиболее выдающихся характеристик АЦП двухтактного интегрирования является его высокая помехозащищенность, особенно против периодических помех, таких как сетевые наводки (50 Гц или 60 Гц). Эта особенность проистекает из принципа усреднения входного сигнала за фиксированный временной интервал T₁.

Рассмотрим, как это происходит. Пусть на вход АЦП поступает полезный сигнал U_вх и гармоническая помеха U_п(t) = A ⋅ sin (2πft + φ), где A – амплитуда, f – частота, φ – начальная фаза. Интегратор усредняет весь сигнал (полезный + помеха) в течение времени T₁.

Среднее значение гармонического сигнала помехи за время интегрирования t₁ (которое в нашей модели равно T₁) вычисляется как:

Uп_ср = (1 / t1) ∫0t1 A ⋅ sin (2πft + φ) dt
Uп_ср = (A / t1) ⋅ [ - (1 / (2πf)) cos (2πft + φ) ] 0t1
Uп_ср = (A / (2πf t1)) ⋅ [ cos φ - cos (2πf t1 + φ) ]

Ключевой вывод: Если период переменного напряжения помехи (1/f) в целое число раз меньше времени интегрирования t₁ (то есть, если t₁ = k ⋅ (1/f), где k — целое число), то аргумент 2πf t₁ будет равен 2πk. В этом случае cos (2πf t₁ + φ) = cos (2πk + φ) = cos φ. Тогда выражение в квадратных скобках [ cos φ — cos φ ] становится равным нулю.

Это означает, что если время интегрирования T₁ точно выбрано кратным периоду периодической помехи, то эта помеха подавляется полностью. Например, если T₁ = 20 мс, то это соответствует двум периодам сетевой помехи 50 Гц (2 ⋅ 20 мс = 40 мс), или одному периоду 50 Гц (если T₁=20 мс выбрано как 1/f), и тогда такая помеха будет эффективно подавлена. Это делает АЦП двухтактного интегрирования идеальным для применений в условиях сильных промышленных наводок. Коэффициент подавления помех для гармонического сигнала, таким образом, является крайне высоким.

Оптимизация параметров и современные тенденции в развитии АЦП двухтактного интегрирования

Развитие АЦП двухтактного интегрирования, несмотря на их «классический» статус, не стоит на месте. Инженеры и ученые постоянно ищут пути для совершенствования их характеристик, преодолевая в первую очередь ограничения по быстродействию, сохраняя при этом высокую точность.

Факторы, влияющие на точность и быстродействие

Понимание коренных причин, ограничивающих характеристики АЦП двухтактного интегрирования, является первым шагом к их оптимизации.

Факторы, влияющие на точность:

• Точность источника опорного напряжения (ИОН): Как уже упоминалось, любая нестабильность или погрешность U_оп напрямую масштабирует весь диапазон преобразования, приводя к мультипликативной погрешности.
• Смещение нуля интегратора и компаратора: Неидеальность ОУ и компараторов приводит к постоянным смещениям, которые вызывают аддитивную погрешность.
• Нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя в интеграторе может заметно влиять на интегральную нелинейность АЦП высокого разрешения.
• Шумы компонентов: Тепловые шумы резисторов, дробовые шумы полупроводниковых приборов, 1/f-шум – все это добавляется к измеряемому сигналу, снижая эффективное разрешение.
• Температурный дрейф: Изменение характеристик компонентов (R, C, смещение ОУ/компаратора, U_оп) с температурой может приводить к дрейфу точности.

Факторы, влияющие на быстродействие:

• Время интегрирования T₁: Для обеспечения высокой помехозащищенности, особенно от сетевых наводок, T₁ выбирается кратным периоду помехи (например, 20 мс для 50 Гц). Это время является основным ограничителем скорости.
• Время интегрирования T_х: Зависит от входного напряжения и U_оп, но в худшем случае может быть соизмеримо с T₁.
• Время установления ОУ и компаратора: Хотя эти времена обычно малы по сравнению с T₁, они вносят свой вклад в общую задержку.
• Тактовая частота счетчика: Чем выше f_такт, тем быстрее счетчик завершит свою работу в течение T_х, но сама длительность T_х остается неизменной.

Методы повышения точности и стабильности

Оптимизация точности сосредоточена на минимизации влияния погрешностей:

• Применение схем автоматической коррекции нуля (Auto-Zeroing): Как уже обсуждалось, эти схемы позволяют эффективно компенсировать напряжения смещения интегратора и компаратора. За счет добавления отдельной фазы, где измеряются и запоминаются смещения, а затем вычитаются из полезного сигнала, достигается существенное снижение аддитивной погрешности.
• Использование высококачественных компонентов: Выбор прецизионных операционных усилителей с низким напряжением смещения, высокой линейностью и низким температурным дрейфом, а также стабильных и малошумящих источников опорного напряжения.
• Использование компараторов с минимальным временем задержки: Для снижения апертурной погрешности (джиттера) критически важно применять компараторы, способные переключаться максимально быстро (например, с задержкой 4,5 нс и менее).
• Термостабилизация: Для экстремально точных применений, где температурный дрейф является проблемой, может применяться термостабилизация всего модуля АЦП.

Повышение быстродействия: многостадийное и многотактное интегрирование

Основной вызов для АЦП двухтактного интегрирования – это его низкое быстродействие. Для решения этой проблемы разработаны более сложные, но эффективные подходы:

• Многостадийное (многотактное) интегрирование: Это наиболее распространенный и эффективный метод повышения быстродействия. Идея заключается в том, чтобы разбить второй такт преобразования (T_х, фаза разряда опорным напряжением) на несколько отрезков. В каждом отрезке используется свое, оптимально выбранное значение опорного напряжения U_оп.

Например, вместо одного опорного напряжения U_оп, можно использовать несколько:

1. На первом этапе разряда используется большое опорное напряжение для быстрого грубого разряда интегратора.
2. Затем, когда напряжение на интеграторе уменьшится, переключаются на меньшее опорное напряжение для более точного завершения разряда до нуля.
3. В некоторых схемах могут быть задействованы 3 или 4 такта с разными опорными напряжениями.

Такой подход позволяет значительно сократить общее время преобразования, так как большая часть разряда происходит быстро, а точный финиш достигается с меньшим опорным напряжением. Например, 13-разрядный АЦП AD7550 выполняет преобразование в четыре такта, что позволяет ему достигать высокого разрешения при приемлемом быстродействии для многих приложений.
Многотактное интегрирование открывает путь к достижению очень высокой разрядности – до 16-18 бит, а в случае тройного или четырехтактного интегрирования – даже до 20 разрядов, одновременно повышая быстродействие.

Современные тенденции и инновации в интегрирующих АЦП

Развитие интегрирующих АЦП движется по нескольким направлениям, что позволяет им оставаться актуальными в эпоху доминирования сигма-дельта и конвейерных преобразователей:

• Совершенствование алгоритмов и структур, реализующих единичные и ступенчатые весовые функции (ЕВФ): Это направление исследований сосредоточено на разработке адаптивных АЦП, которые могут самостоятельно подстраиваться под характеристики входного сигнала и шумов. Единичные весовые функции позволяют производить автоматизированную адаптацию к подавлению неинформативных составляющих сигналов, включая внутренние шумы, за счет пространственного или временного разделения полезного сигнала и шума. Это повышает эффективность фильтрации и точность преобразования в сложных условиях.
• Разработка интеллектуальных АЦП: Это новое поколение преобразователей, способных не просто выполнять фиксированный алгоритм, но и выбирать наилучший алгоритм кодирования из доступных (например, в зависимости от динамики входного сигнала, уровня шумов или требуемой скорости) и даже трансформировать этот алгоритм в процессе его выполнения. Это придает АЦП гибкость и адаптивность.
• Средства самоконтроля и автоматического контроля: В критически важных приложениях (например, в медицине, аэрокосмической отрасли) требуется непрерывный мониторинг исправности АЦП. Разрабатываются встроенные методы и средства повышения достоверности самоконтроля, а также автоматического контроля различных типов АЦП, что повышает надежность всей системы.
• Высокоинтегрированные многоканальные системы на кристалле (System-on-Chip, SoC): Современные КМОП-технологии позволяют интегрировать несколько каналов АЦП двойного интегрирования на одном кристалле вместе с другой цифровой логикой. Например, в рамках современного 90 нм КМОП-техпроцесса возможно создание АЦП двойного интегрирования с точностью 10 бит при частоте преобразования 1 МГц на тактовой частоте 5 ГГц.

Такие высокоинтегрированные решения обеспечивают:

• Миниатюрность: Для одного канала аналогового интерфейса в таких системах площадь на кристалле сокращается до 0,05 мм².
• Энергоэффективность: Потребляемая мощность сокращается до десятков микроватт на канал.

Это делает их идеальными для плотной интеграции в многоканальные системы, например, в области электрохимической импедансной спектроскопии, где требуется большое количество биологических датчиков для одновременного измерения.

Эти тенденции показывают, что АЦП двухтактного интегрирования, несмотря на свои традиционные ограничения, продолжают развиваться, находя новые области применения и демонстрируя выдающиеся характеристики благодаря инновационным схемотехническим и алгоритмическим решениям.

Моделирование времяимпульсного АЦП двухтактного интегрирования

Теоретический анализ и схемотехническое проектирование являются важными этапами, но без практического подтверждения их результативность остается под вопросом. Моделирование электрической схемы АЦП позволяет виртуально «собрать» и «протестировать» устройство, оценить его характеристики и поведение в различных режимах, не прибегая к дорогостоящему и трудоемкому физическому прототипированию. Это особенно ценно в рамках курсовой работы, где доступ к реальному оборудованию может быть ограничен.

Инструменты и программное обеспечение для моделирования

Для электрического моделирования и анализа аналого-цифровых устройств существует широкий спектр программных средств, каждое из которых имеет свои преимущества:

• Среда графического программирования LabVIEW: Это мощная платформа, ориентированная на инженеров и ученых, которая позволяет создавать виртуальные измерительные приборы. В LabVIEW можно моделировать как аналоговые, так и цифровые части АЦП, используя библиотеки сигналов, математических функций и элементов управления. Ее графический интерфейс (G-язык) делает процесс разработки интуитивно понятным, а широкие возможности анализа (например, встроенные функции быстрого преобразования Фурье) позволяют глубоко исследовать динамические характеристики. LabVIEW идеально подходит для создания комплексных моделей, имитирующих работу всего АЦП, включая логику управления и взаимодействие с микроконтроллерами.
• Программы для электрического моделирования схем (SPICE-симуляторы): К ним относятся такие известные пакеты как Electronics Workbench (позже MultiSIM), OrCAD PSpice, LTSpice и другие. Эти программы позволяют проводить детальный схемотехнический анализ на уровне компонентов. Они моделируют поведение реальных резисторов, конденсаторов, операционных усилителей, компараторов и ключей с учетом их неидеальных характеристик. Это незаменимый инструмент для проверки правильности выбранных номиналов, анализа влияния температурного дрейфа, шумов, а также для оптимизации схемотехнических решений.

Для комплексного анализа наилучшим подходом может быть комбинирование этих инструментов: SPICE-симуляторы для детального моделирования аналоговых узлов (интегратор, компаратор), а LabVIEW — для отработки общей логики управления, цифрового счетчика и анализа результатов преобразования.

Этапы проектирования и настройки модели

Процесс моделирования АЦП двухтактного интегрирования включает несколько последовательных шагов:

1. Сборка принципиальной схемы: На этом этапе в выбранной среде моделирования (например, Electronics Workbench) создается принципиальная схема АЦП, точно соответствующая разработанной структурной схеме. Необходимо правильно разместить все компоненты (операционные усилители, компараторы, резисторы, конденсаторы, аналоговые ключи, логические элементы, генератор тактовых импульсов).
2. Настройка параметров элементов: Для каждого компонента схемы необходимо задать его реальные или предполагаемые технические характеристики. Это включает номиналы резисторов и конденсаторов, параметры операционных усилителей (коэффициент усиления, напряжение смещения, полоса пропускания), компараторов (время задержки, напряжение смещения), источников питания, опорного напряжения и частоты тактового генератора. От точности этих параметров напрямую зависит адекватность результатов моделирования.
3. Проверка работы цепей сброса и задания тактов: Важно убедиться, что цепи сброса интегратора и счетчика функционируют корректно, а управляющая логика правильно формирует временные интервалы T₁ и T_х, а также управляет аналоговыми ключами в соответствии с алгоритмом двухтактного интегрирования. Это может включать моделирование различных сценариев запуска и остановки преобразования.

Анализ результатов моделирования

После запуска моделирования и получения данных необходимо провести их всесторонний анализ:

1. Снятие и интерпретация переходных характеристик (осциллограмм): Необходимо снять осциллограммы ключевых точек схемы:
   • Напряжение на выходе интегратора (U_{вых_инт}) во время обеих фаз интегрирования.
   • Сигналы на выходах компаратора.
   • Управляющие сигналы для аналоговых ключей.
   • Сигналы на входе и выходе счетчика.

   Анализ этих осциллограмм позволяет визуально подтвердить правильность работы каждой фазы и каждого блока, выявить возможные проблемы (например, насыщение ОУ, некорректное переключение компаратора).

2. Определение цены единицы младшего значащего разряда (МЗР): Путем подачи на вход АЦП точно известного аналогового напряжения и наблюдения за изменением выходного цифрового кода можно экспериментально определить фактическую цену МЗР для данной реализации АЦП. Это можно сделать при различных условиях, например, при изменении опорного напряжения или температуры (если модель поддерживает температурный анализ).
3. Построение скорректированных графиков и сравнение с идеальными характеристиками: На основе полученных цифровых кодов и известных входных аналоговых значений строится реальная передаточная характеристика АЦП. Затем она сравнивается с идеальной линейной характеристикой для выявления аддитивных, мультипликативных и нелинейных погрешностей (DNL, INL).
4. Спектральный анализ для оценки динамических характеристик: Для более глубокого анализа динамических свойств АЦП используется быстрое преобразование Фурье (БПФ).
   • На вход модели АЦП подается тестовый аналоговый сигнал (например, чистая синусоида известной частоты и амплитуды).
   • Массив выходных цифровых значений АЦП, полученных при этом сигнале, подвергается БПФ.
   • В полученном спектре нулевая гармоника (или наиболее выраженный пик) будет соответствовать основной частоте входного сигнала.
   • Все остальные компоненты спектра представляют собой шум, который включает в себя:
     • Гармонические искажения: Отражают нелинейности АЦП.
     • Тепловой шум: Случайные флуктуации, присущие электронным компонентам.
     • Шум 1/f (фликкер-шум): Низкочастотный шум, характерный для полупроводниковых устройств.
     • Шум квантования: Неустранимая погрешность, обусловленная дискретностью выходного кода.

   Спектральный анализ позволяет количественно оценить такие параметры, как соотношение сигнал/шум (SNR), отношение сигнал/(шум+искажения) (SINAD) и эффективное число разрядов (ENOB), которые являются ключевыми показателями динамической точности АЦП.

Моделирование, таким образом, предоставляет бесценный опыт и глубокое понимание работы АЦП, позволяя студенту не только применить теоретические знания, но и развить практические навыки проектирования и анализа сложных электронных систем.

Заключение

В рамках данной курсовой работы было проведено всестороннее исследование времяимпульсного аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования. Мы последовательно рассмотрели фундаментальные принципы, детальную структурную схему, схемотехническую реализацию ключевых узлов, метрологические характеристики с учетом всех видов погрешностей, а также актуальные методы оптимизации и современные тенденции в развитии этих преобразователей.

Было показано, что АЦП двухтактного интегрирования, несмотря на свой относительно невысокий показатель быстродействия, остается незаменимым инстр��ментом в высокоточной измерительной технике благодаря своей выдающейся точности (до 0,01%) и исключительной помехозащищенности, особенно против периодических сетевых наводок. Мы подробно разобрали двухфазный алгоритм работы, математически обосновав независимость результата преобразования от нестабильности тактовой частоты и постоянной интегрирования, что является краеугольным камнем их прецизионности.

Особое внимание было уделено схемотехнической реализации, где были проанализированы требования к операционному усилителю интегратора, компаратору, аналоговым ключам и источнику опорного напряжения. Были рассмотрены методы автоматической компенсации смещения нуля и влияние нелинейности компонентов на общую точность. Анализ метрологических характеристик, таких как разрешающая способность, точность, дифференциальная и интегральная нелинейности, апертурная погрешность, а также глубокое изучение принципов подавления помех, позволили сформировать полное представление о возможностях и ограничениях данного типа АЦП.

Наконец, мы изучили современные методы оптимизации, включая многостадийное интегрирование, которое позволяет существенно повысить быстродействие и разрядность, а также ознакомились с инновационными направлениями, такими как интеллектуальные АЦП, самоконтроль и высокоинтегрированные системы на кристалле на базе КМОП-технологий. Практические аспекты моделирования в средах LabVIEW и SPICE-симуляторах были представлены как ключевой инструмент для верификации проектных решений и глубокого анализа характеристик АЦП.

Таким образом, поставленные цели и задачи курсовой работы были полностью достигнуты. Глубокое понимание принципов работы, схемотехнических решений, метрологических характеристик и современных тенденций развития времяимпульсных АЦП двухтактного интегрирования является критически важным для студентов технических специальностей. Эти знания станут прочной основой для успешного проектирования, разработки и применения высокоточных измерительных систем в самых различных инженерных областях, от промышленной автоматизации до биомедицинской электроники.

Список использованной литературы

1. Андреев Ю.Н., Антонин Д.М., Иванов Д.М. и др. Резисторы: справочник. М.: Энергоатомиздат, 1981. 352 с.
2. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: учеб. пособие для вузов по спец. «Информ.-измерит. техн.». М.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.
3. Кривой Г.С. Приборы времяимпульсного преобразования: метод. указания по курсовому проектированию. Омск, 1987. 16 с.
4. Никонов А.В. Методические аспекты построения измерительных устройств: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. 52 с.
5. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Высшая школа, 1980. 543 с.
6. Топильский В.Б. Схемотехника аналого-цифровых преобразователей.
7. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование (Analog-Digital Conversion).
8. АЦП двухтактного интегрирования. URL: https://www.sites.google.com/site/izmerenielektricestva/home/preobrazovateli/acp-dvuhtaktnogo-integrirovania (дата обращения: 31.10.2025).
9. АЦП времяимпульсного типа. Электроника и микроэлектроника. URL: https://studme.org/168700/elektronika/atsp_vremyaimpulsnogo_tipa (дата обращения: 31.10.2025).
10. АЦП с время-импульсным преобразованием, хронометры на их основе. МИРЭА — Российский технологический университет. URL: https://newman.doc.rtu-mixt.ru/files/2491/newman.doc (дата обращения: 31.10.2025).
11. Аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования. КИПиС. URL: https://kipi.su/analog-tsifrovoi-preobrazovatel-dvoinogo-integrirovaniya/ (дата обращения: 31.10.2025).
12. Аналого-цифровой преобразователь (лекция). URL: https://www.elms.omgtu.ru/pluginfile.php/60207/mod_resource/content/1/ADC.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
13. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Казанский федеральный университет. URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F_2032733989/Lekciya_6.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
14. Аналого-цифровые преобразователи с самоконтролем и их моделирование в среде LabVIEW. Издательство Радиотехника. URL: http://www.radiotec.ru/catalog.php?id=128 (дата обращения: 31.10.2025).
15. Аналоговые и цифровые измерительные устройства. АПИ НГТУ. URL: https://www.nntu.ru/frontend/web/assets/attachments/scientific_activity/publications/37209/page_126_130.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
16. Интегрирующие АЦП. CHIPINFO. URL: https://www.chipinfo.ru/literature/radio/200503/p31.html (дата обращения: 31.10.2025).
17. Как работают аналогово-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП. Компоненты и технологии, 2005. URL: https://www.kit-e.ru/articles/comp/2005_3_31.php (дата обращения: 31.10.2025).
18. Лабораторная работа «Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)». Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. URL: https://libeldoc.bsuir.by/static/pdf/875047_C.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
19. Лекция 13. IV. Аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи Ц. URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F_175296839/13_CAP_ACP_KFU.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
20. Погрешности АЦП. URL: https://studfile.net/preview/4481075/page:14/ (дата обращения: 31.10.2025).
21. Повышение быстродействия АЦП резистивных и емкостных датчиков. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-bystrodeystviya-atsp-rezistivnyh-i-emkostnyh-datchikov (дата обращения: 31.10.2025).
22. Совершенствование алгоритмов и структур интегрирующих аналого-цифровых преобразователей. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovershenstvovanie-algoritmov-i-struktur-integriruyuschih-analog-tsifrovyh-preobrazovateley (дата обращения: 31.10.2025).
23. Ширяев В.В. Компьютерные измерительные средства. Томский политехнический университет. URL: http://portal.tpu.ru/SHARED/s/SHIRAEV_VV/method/Tab3/komp_izm_sredstva.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
24. 5.2. Аналого-цифровые преобразователи. URL: https://www.dvgups.ru/sites/default/files/pages/kafedry/rvu/uchebnye_materialy/5.2.analogovo-cifrovye_preobrazovateli.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
25. AD707. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/obsolete-data-sheets/2143387AD707.pdf (дата обращения: 31.10.2025).
26. ADG849. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADG849.pdf (дата обращения: 31.10.2025).

С этим материалом также изучают

Разработка лабораторного стенда на базе программатора STK500 и микроконтроллеров Atmel AVR для изучения аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП/ЦАП)

Создание бюджетного лабораторного стенда на STK500 и ATmega16 для глубокого изучения АЦП/ЦАП: схемы, программирование на C, методика работ и экономическая эффективность.

Дискретная обработка сигналов и цифровая фильтрация

... Для преобразования цифрового сигнала в анало-говый используют восстанавливающее устройство, состоящее из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и выходного сглаживающего фильтра. ЦАП преобразует цифровой сигнал в импульсы напряжения, ...

Проектирование лабораторного стенда для исследования аналого-цифрового и цифрового-аналогово преобразователей 2

... ввода/вывода, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, компараторы, таймеры и счетчики, приемопередатчики различных интерфейсов связи и т. 7.Z–преобразование, применяемое для описания цифровых сигналов. Обратное ...

ДИСКРЕТНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ЦИФРОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ 2

... В- входное напряжение; t_1=310 мкс-четверть периода описания сигнала; T_ос=4t_1-период описания сигнала; ω_0=2π/T_ос -циклическая частота сигнала; t_2=2t_1 и t_3=3t_1. Временное представление аналогового сигнала представлено на ...

ДИСКРЕТНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ЦИФРОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ 3

... новых перспективных направлений современной обработки радиосигналов является цифровая фильтрация. В ее основе лежит преобразование аналоговых сигналов в последовательность чисел и обработка этой последовательности ...

Высшее образование для журналиста в цифровую эпоху: необходимость или пережиток? Всесторонний академический анализ

Всесторонний анализ необходимости высшего образования для журналиста в цифровую эпоху. Аргументы "за" и "против" традиционного обучения, роль ИИ и этические вызовы.

Проектирование лабораторного стенда для исследования аналого-цифрового и цифрового-аналогово преобразователей.

... аналогово-цифрового преобразователя 33 3.3 Выбор дисплея 34 3.4 Интегральный стабилизатор напряжения ... Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналогово-цифрового преобразования и средств ... Работа с АЦП 62 5.3 ... т.д. Следствием этого является необходимость ...

Эволюция средств передачи информации: от архаичных сигналов до цифровой эпохи в контексте социокультурных и правовых трансформаций

Исследуйте историю развития средств информации: от древних сигналов и письменности до телеграфа, Интернета и ИИ. Узнайте о влиянии технологий на общество и право.

КОМПЛЕКС ПРОГРАММНО-ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ УРОВНЕМЕРОВ

... контрольно-измерительных прибо- ров типа уровнемер цифровой 3.1 Разработка алгоритмов модуля, обеспечивающего вычисление ... (Дата обращения 2.05.14) 18. Спецификация RTF 1.9 для Word 2007: [Электронный ресурс]. - URL: http://www.microsoft.com/en ...

КОМПЛЕКС ПРОГРАММНО-ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ УРОВНЕМЕРОВ 2

... контрольно-измерительных прибо- ров типа уровнемер цифровой 3.1 Разработка алгоритмов модуля, обеспечивающего вычисление ... (Дата обращения 2.05.14) 18. Спецификация RTF 1.9 для Word 2007: [Электронный ресурс]. - URL: http://www.microsoft.com/en ...