Pośrednie Podejście do Konwersji

W przeciwieństwie do metod konwersji bezpośredniej, takich jak przetwornik typu Flash, które natychmiastowo porównują napięcie wejściowe z wieloma poziomami odniesienia, przetworniki całkujące stosują metodę pośrednią. Podstawową zasadą tej techniki jest przekształcenie wejściowego napięcia analogowego w proporcjonalny odcinek czasu. Ten odcinek czasu jest następnie mierzony przez licznik cyfrowy, a jego końcowa wartość staje się cyfrową reprezentacją pierwotnego napięcia.

Takie podejście poświęca szybkość na rzecz wyjątkowej dokładności i odporności na szumy, co czyni przetworniki całkujące technologią z wyboru w precyzyjnych przyrządach pomiarowych. Najczęściej spotykane architektury to przetworniki z pojedynczym i bardziej zaawansowanym podwójnym całkowaniem.

Przetwornik z Pojedynczym Całkowaniem

Przetwornik z pojedynczym całkowaniem (ang. single-slope ADC) jest najprostszą implementacją zasady przetwarzania pośredniego. Jego działanie jest proste i intuicyjne.

Zasada Działania

Proces konwersji przebiega następująco:

1. Na początku konwersji układ sterujący resetuje licznik cyfrowy i uruchamia integrator, który zaczyna generować liniowo narastające napięcie (tzw. fala piłokształtna).
2. W tym samym momencie licznik zaczyna zliczać impulsy ze stabilnego źródła zegarowego.
3. Komparator ciągle porównuje narastające napięcie z integratora z nieznanym napięciem wejściowym $U_{IN}$.
4. Gdy napięcie piłokształtne zrówna się z $U_{IN}$, komparator zmienia swój stan wyjściowy. Ta zmiana natychmiast zatrzymuje licznik cyfrowy.
5. Ostateczna liczba zapisana w liczniku jest wynikiem przetwornika A/C. Ponieważ napięcie narasta liniowo, czas potrzebny do osiągnięcia $U_{IN}$ - a zatem i końcowy stan licznika - jest wprost proporcjonalny do wartości napięcia wejściowego.

Przetwornik z Podwójnym Całkowaniem: Precyzja i Stabilność

Przetwornik z podwójnym całkowaniem (ang. dual-slope ADC) to pomysłowe ulepszenie konstrukcji z pojedynczym całkowaniem, które eliminuje jej krytyczną wadę. Dzięki zastosowaniu dwóch faz integracji, sprytnie eliminuje zależność od wartości komponentów R i C integratora, co skutkuje wyjątkową dokładnością.

Zasada Działania: Proces Dwufazowy

Konwersja odbywa się w dwóch odrębnych fazach:

1. Faza 1 (Całkowanie sygnału wejściowego): Nieznane napięcie wejściowe $U_I$ jest podłączane do integratora na stały okres czasu, $T_1$. Ten stały czas jest precyzyjnie kontrolowany przez zliczenie pełnego cyklu licznika (np. $N_{max}$ impulsów zegarowych). W tej fazie napięcie wyjściowe integratora rośnie do poziomu szczytowego wprost proporcjonalnego do średniej wartości $U_I$ w tym czasie.
2. Faza 2 (Całkowanie napięcia odniesienia): Po upływie $T_1$, wejście integratora jest przełączane na stabilne, znane ujemne napięcie odniesienia, $-U_R$. Napięcie wyjściowe integratora, które osiągnęło dodatnią wartość szczytową, teraz zaczyna opadać ze stałym nachyleniem. Licznik jest zerowany i zaczyna zliczać ponownie. Zlicza on impulsy do momentu, aż napięcie wyjściowe integratora osiągnie zero, co wykrywa komparator. Liczba zliczonych impulsów, $N$, w tej drugiej fazie ($T_2$) jest ostatecznym wynikiem cyfrowym.

Ponieważ nachylenie narastania zależy od $U_I$, a nachylenie opadania od stałego $-U_R$, wyższe napięcie wejściowe skutkuje dłuższym czasem opadania. Co najważniejsze, dokładne wartości R i C wpływają na oba nachylenia w ten sam sposób, a ich efekty znoszą się w końcowym obliczeniu. Ten "ratiometryczny" pomiar oznacza, że dokładność zależy głównie tylko od stabilności napięcia odniesienia $U_R$. Ostateczna zależność to: $N = N_{max} \cdot \frac{U_I}{U_R}$.