В каком-то высшем смысле сигма-дельта АЦП получается из АЦП последовательного приближения заменой цифровой логики на аналоговую. Реальная структура такого АЦП приведена ниже:
Опять таки, мы не берем управляющую логику, считая, что все делает микроконтроллер. Второй момент, который мы здесь сильно упростили - использовали логический уровень в качестве опорного. Для пояснения смысла работы так можно, а в реальной жизни нет - точность (из-за которой и затеян весь сыр-бор с дельтами и сигмами) будет катастрофически потеряна. Но мы пока будем считать, что уровень логической единицы очень стабилен и точно равен опорному напряжению.
Операционный усилитель - это схема, напряжение на выходе которого равно разности между двумя входными. В данном случае разнице между входным напряжением и либо опорным напряжением, либо нулем, в зависимости от того, что накопил интегратор. Если, например на входе будет +3 В, а опорное напряжение +5 В, то на выходе будет -2 В (минус два вольта), а если на входе +3 В, а на втором входе 0 В, то на выходе +3 В и будет.
Интегратор - это схема усреднения, эдакий очень медленный фильтр. Если на входе положительное напряжение, то напряжение на выходе по абсолютной величине растет, если отрицательное - то падает.
Выглядит сложно, но на практике все очень компактно:
В интернете можно найти много графиков и диаграмм, мы их приводить не будем, скажем так - в среднем сумма импульсов опорного напряжения и входного сигнала должна быть недалеко от нуля. Это возможно, если среднее напряжение с выхода компаратора равняется входному, поэтому надо определить это среднее напряжение. Так как уровней у нас всего два, то фактически микроконтроллеру нужно только посчитать соотношение нулей и единиц за определенный момент времени, это соотношение будет равно отношению входного напряжения к опорному. Если мы никуда не спешим (а преобразование за 4 миллисекунды, как у приведенной выше MCP3421, для любой вычислительной системы - это о-очень ме-е-едленно, при нормальной сейчас тактовой частоте 16 МГц (и это без умножителя!) - процессор успеет сделать как минимум 32 тысячи операций), то мы можем сначала неспешно интегрировать и очень точно посчитать все временные интервалы. Собственные шумы АЦП, шумы сигнала и даже определенный его дрейф в данном случае роли почти не играют, ведь у нас сначала идет аналоговый фильтр (в лице интегратора), а затем цифровой (они могут быть построены по разному, но в любом случае мы усредняем сигнал на большом временном интервале). А если будет мало, можем проинтегрировать два раза и еще применить еще более интеллектуальную обработку сигнала.
Если все так просто, то возникает логичный вопрос - почему настольные мультиметры на базе таких АЦП стоят так дорого? Все просто - раз большую часть работы делается аналоговой схемой, то точность преобразователя в большой степени определяется параметрами аналоговых усилителей и интеграторов. Требования к ним достаточно серьезные, особенно к линейности усилителей и параметрам конденсатора.
Мы разобрались более-менее с преобразователем, но любой АЦП будет бесполезен, пока на него не будет подано входное напряжение. В следующей статье рассмотрим, откуда оно берется.
Ставьте лайки, делайте репосты и не забывайте заземлять!
Подписывайтесь на наш канал!
Всем читателям нашего блога - Скидка в нашем интернет-магазине на люксметры по промокоду ZENPROFIT