Przetworniki A/C z Całkowaniem

Pośrednia konwersja

Przetworniki całkujące, w odróżnieniu od bezpośredniego przetwornika Flash, stosują metodę pośrednią i nie wyznaczają kodu przez równoczesne porównanie z całym zestawem progów. Najpierw całkują napięcie wejściowe albo napięcie odniesienia, a następnie zamieniają wynik całkowania na przedział czasu. Licznik cyfrowy mierzy ten przedział, a jego stan tworzy cyfrową reprezentację napięcia.

Integracja ogranicza szybkość konwersji, lecz może zwiększać dokładność i tłumić część szumu. Z tego powodu przetworniki całkujące stosuje się w precyzyjnych przyrządach pomiarowych. Do podstawowych architektur należą układy z pojedynczym oraz podwójnym całkowaniem.

Przetwornik z pojedynczym całkowaniem

Przetwornik z pojedynczym całkowaniem (ang. single-slope ADC) jest najprostszą implementacją konwersji całkującej.

Zasada działania

Proces konwersji przebiega następująco:

1. Na początku konwersji układ sterujący resetuje licznik cyfrowy i uruchamia integrator, który przy stałym napięciu odniesienia zaczyna generować liniowo narastającą rampę, czyli przebieg piłokształtny.
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. W idealnym modelu napięcie narasta liniowo, więc czas potrzebny do osiągnięcia $U_{IN}$ oraz końcowy stan licznika są wprost proporcjonalne do wartości napięcia wejściowego.

Przetwornik z podwójnym całkowaniem

Przetwornik z podwójnym całkowaniem (ang. dual-slope ADC) wykonuje pomiar w dwóch fazach. W pierwszej całkuje napięcie wejściowe przez stały czas, w drugiej całkuje napięcie odniesienia o przeciwnej polaryzacji. W idealnym modelu wpływ wartości R i C integratora na wynik zostaje w ten sposób usunięty.

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.

Dla dodatniego napięcia wejściowego nachylenie narastania zależy od $U_I$, a nachylenie opadania od stałego $-U_R$, więc wyższe napięcie wejściowe skutkuje dłuższym czasem opadania. Dokładne wartości R i C wpływają na oba nachylenia w ten sam sposób, a ich wspólny współczynnik skraca się w końcowym obliczeniu. Ten ratiometryczny pomiar zależy przede wszystkim od stabilności napięcia odniesienia $U_R$, lecz w praktyce wpływ mają także zegar, komparator i pozostałe błędy układu. Ostateczna zależność to: $N = N_{max} \cdot \frac{U_I}{U_R}$.