Kemiringan (mengintegrasikan) ADC

Sejauh ini, kami hanya dapat menghindari banyaknya komponen dalam konverter flash dengan menggunakan DAC sebagai bagian dari sirkuit ADC kami. Namun, ini bukan satu-satunya pilihan kami. Dimungkinkan untuk menghindari penggunaan DAC jika kita mengganti rangkaian ramping analog dan penghitung digital dengan pengaturan waktu yang tepat.

Ini adalah ide dasar di balik apa yang disebut kemiringan tunggal , atau mengintegrasikan ADC. Alih-alih menggunakan DAC dengan output ramp, kami menggunakan rangkaian op-amp yang disebut integrator untuk menghasilkan bentuk gelombang gigi gergaji yang kemudian dibandingkan dengan input analog oleh komparator.

Waktu yang diperlukan bentuk gelombang gigi gergaji untuk melebihi tingkat tegangan sinyal input diukur dengan menggunakan pencacah digital yang di-clock dengan gelombang persegi frekuensi-tepat (biasanya dari osilator kristal). Diagram skematik dasar ditampilkan di sini:

Skema transistor pengosongan kapasitor IGFET yang ditunjukkan di sini agak terlalu disederhanakan. Pada kenyataannya, sirkuit pengunci yang diatur waktunya dengan sinyal clock kemungkinan besar harus dihubungkan ke gerbang IGFET untuk memastikan pengosongan penuh kapasitor saat output komparator menjadi tinggi.

Ide dasarnya, bagaimanapun, adalah jelas dalam diagram ini. Ketika output komparator rendah (tegangan input lebih besar dari output integrator), integrator diperbolehkan untuk mengisi kapasitor secara linier. Sementara itu, penghitung menghitung pada tingkat yang ditetapkan oleh frekuensi jam presisi.

Waktu yang diperlukan kapasitor untuk mengisi hingga level tegangan yang sama dengan input tergantung pada level sinyal input dan kombinasi dari -V_ref , R, dan C. Ketika kapasitor mencapai level tegangan tersebut, keluaran komparator menjadi tinggi, memuat keluaran penghitung ke dalam register geser untuk keluaran akhir.

IGFET dipicu "on" oleh output tinggi komparator, mengosongkan kapasitor kembali ke nol volt. Ketika tegangan keluaran integrator turun ke nol, keluaran komparator beralih kembali ke keadaan rendah, membersihkan penghitung dan memungkinkan integrator untuk menaikkan tegangan lagi.

Sirkuit ADC ini berperilaku sangat mirip dengan ADC ramp digital, kecuali bahwa tegangan referensi komparator adalah bentuk gelombang gigi gergaji yang halus daripada "tangga:"

ADC kemiringan tunggal mengalami semua kelemahan dari ADC ramp digital, dengan kelemahan tambahan hanyutan kalibrasi . Korespondensi yang akurat dari keluaran ADC ini dengan masukannya bergantung pada kemiringan tegangan integrator yang dicocokkan dengan laju penghitungan penghitung (frekuensi clock).

Dengan ADC ramp digital, frekuensi clock tidak berpengaruh pada akurasi konversi, hanya pada waktu pembaruan. Di sirkuit ini, karena laju integrasi dan laju penghitungan tidak bergantung satu sama lain, variasi antara keduanya tidak dapat dihindari seiring bertambahnya usia, dan akan mengakibatkan hilangnya akurasi.

Satu-satunya hal yang baik untuk dikatakan tentang sirkuit ini adalah menghindari penggunaan DAC, yang mengurangi kompleksitas sirkuit.

Konverter Kemiringan Ganda

Jawaban untuk dilema penyimpangan kalibrasi ini ditemukan dalam variasi desain yang disebut kemiringan ganda konverter. Pada konverter kemiringan ganda, sirkuit integrator didorong positif dan negatif dalam siklus bolak-balik untuk menurun dan kemudian naik, daripada disetel ulang ke 0 volt di akhir setiap siklus.

Dalam satu arah ramping, integrator digerakkan oleh sinyal input analog positif (menghasilkan tingkat perubahan tegangan output negatif yang bervariasi, atau kemiringan output. ) untuk jumlah waktu yang tetap, yang diukur dengan pencacah dengan jam frekuensi presisi. Kemudian, ke arah lain, dengan tegangan referensi tetap (menghasilkan laju perubahan tegangan keluaran tetap) dengan waktu yang diukur dengan pencacah yang sama.

Penghitung berhenti menghitung ketika output integrator mencapai tegangan yang sama seperti saat memulai bagian waktu tetap dari siklus. Jumlah waktu yang diperlukan kapasitor integrator untuk melepaskan kembali tegangan keluaran aslinya, yang diukur dengan besaran yang diperoleh oleh penghitung, menjadi keluaran digital dari rangkaian ADC.

Metode kemiringan ganda dapat dianggap secara analog dalam hal pegas putar seperti yang digunakan dalam mekanisme jam mekanis. Bayangkan kita sedang membangun mekanisme untuk mengukur kecepatan putar sebuah poros.

Dengan demikian, kecepatan poros adalah "sinyal input" kami yang akan diukur oleh perangkat ini. Siklus pengukuran dimulai dengan pegas dalam keadaan santai.

Pegas kemudian diputar, atau “digulung” oleh poros yang berputar (sinyal input) untuk waktu yang tetap. Ini menempatkan pegas dalam sejumlah tegangan tertentu yang sebanding dengan kecepatan poros:kecepatan poros yang lebih besar sesuai dengan laju belitan yang lebih cepat dan jumlah tegangan pegas yang lebih besar yang terakumulasi selama periode waktu tersebut.

Setelah itu, pegas dilepaskan dari poros dan dibiarkan terlepas dengan kecepatan tetap, waktu untuk melepas kembali ke keadaan santai yang diukur dengan perangkat pengatur waktu. Jumlah waktu yang dibutuhkan pegas untuk melepasnya pada kecepatan tetap itu akan berbanding lurus dengan kecepatan di mana itu luka (besarnya sinyal input) selama bagian waktu tetap dari siklus.

Teknik konversi analog-ke-digital ini lolos dari masalah penyimpangan kalibrasi dari ADC kemiringan tunggal karena baik koefisien integrasi integrator (atau "gain") dan laju kecepatan penghitung berlaku selama seluruh "pemutaran" dan "pemutaran". ” bagian siklus. Jika kecepatan clock penghitung tiba-tiba meningkat, ini akan mempersingkat periode waktu tetap di mana integrator "berakhir" (menghasilkan tegangan yang lebih rendah yang diakumulasikan oleh integrator), tetapi itu juga berarti bahwa itu akan menghitung lebih cepat selama periode waktu ketika integrator diizinkan untuk "bersantai" dengan kecepatan tetap.

Proporsi bahwa penghitung menghitung lebih cepat akan menjadi proporsi yang sama dengan akumulasi tegangan integrator berkurang dari sebelum kecepatan clock berubah. Dengan demikian, kesalahan kecepatan jam akan hilang dengan sendirinya dan keluaran digital akan persis seperti yang seharusnya.

Keuntungan penting lainnya dari metode ini adalah bahwa sinyal input menjadi rata-rata saat ia menggerakkan integrator selama bagian waktu tetap dari siklus. Setiap perubahan sinyal analog selama periode waktu tersebut memiliki efek kumulatif pada keluaran digital pada akhir siklus tersebut.

Strategi ADC lainnya hanya "menangkap" level sinyal analog pada satu titik waktu setiap siklus. Jika sinyal analog “berisik” (berisi tingkat lonjakan/penurunan tegangan palsu yang signifikan), salah satu teknologi konverter ADC lainnya terkadang dapat mengubah lonjakan atau penurunan karena menangkap sinyal berulang kali pada satu titik waktu.

ADC dual-slope, di sisi lain, rata-rata bersama-sama semua lonjakan dan penurunan dalam periode integrasi, sehingga memberikan output dengan kekebalan kebisingan yang lebih besar. ADC kemiringan ganda digunakan dalam aplikasi yang menuntut akurasi tinggi.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konversi Analog-ke-Digital