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Pente (intégrant) ADC

Jusqu'à présent, nous n'avons pu échapper au volume considérable de composants dans le convertisseur de flash qu'en utilisant un DAC dans le cadre de nos circuits ADC. Cependant, ce n'est pas notre seule option. Il est possible d'éviter d'utiliser un DAC si l'on substitue un circuit de rampe analogique et un compteur numérique avec une synchronisation précise.

C'est l'idée de base derrière la soi-disant simple pente , ou intégrant ADC. Au lieu d'utiliser un DAC avec une sortie en rampe, nous utilisons un circuit d'amplificateur opérationnel appelé intégrateur pour générer une forme d'onde en dents de scie qui est ensuite comparée à l'entrée analogique par un comparateur.

Le temps qu'il faut pour que la forme d'onde en dents de scie dépasse le niveau de tension du signal d'entrée est mesuré au moyen d'un compteur numérique cadencé avec une onde carrée à fréquence précise (généralement à partir d'un oscillateur à cristal). Le schéma de principe de base est montré ici :

Le schéma du transistor à décharge de condensateur IGFET montré ici est un peu trop simplifié. En réalité, un circuit de verrouillage synchronisé avec le signal d'horloge devrait très probablement être connecté à la porte IGFET pour assurer la décharge complète du condensateur lorsque la sortie du comparateur devient élevée.

L'idée de base, cependant, est évidente dans ce diagramme. Lorsque la sortie du comparateur est faible (tension d'entrée supérieure à la sortie de l'intégrateur), l'intégrateur est autorisé à charger le condensateur de manière linéaire. Pendant ce temps, le compteur compte à un rythme fixé par la fréquence d'horloge de précision.

Le temps qu'il faut au condensateur pour se charger jusqu'au même niveau de tension que l'entrée dépend du niveau du signal d'entrée et de la combinaison de -Vref , R et C. Lorsque le condensateur atteint ce niveau de tension, la sortie du comparateur passe au niveau haut, chargeant la sortie du compteur dans le registre à décalage pour une sortie finale.

L'IGFET est déclenché « on » par la sortie élevée du comparateur, déchargeant le condensateur à zéro volt. Lorsque la tension de sortie de l'intégrateur tombe à zéro, la sortie du comparateur repasse à l'état bas, effaçant le compteur et permettant à l'intégrateur d'augmenter à nouveau la tension.

Ce circuit ADC se comporte de manière très similaire à la rampe numérique ADC, sauf que la tension de référence du comparateur est une forme d'onde en dents de scie lisse plutôt qu'un « pas d'escalier : »

L'ADC à pente unique souffre de tous les inconvénients de l'ADC à rampe numérique, avec l'inconvénient supplémentaire d'une dérive d'étalonnage . La correspondance précise de la sortie de ce CAN avec son entrée dépend de la pente de tension de l'intégrateur correspondant au taux de comptage du compteur (la fréquence d'horloge).

Avec la rampe numérique ADC, la fréquence d'horloge n'avait aucun effet sur la précision de la conversion, uniquement sur le temps de mise à jour. Dans ce circuit, étant donné que le taux d'intégration et le taux de comptage sont indépendants l'un de l'autre, la variation entre les deux est inévitable à mesure qu'il vieillit et entraînera une perte de précision.

La seule bonne chose à dire sur ce circuit est qu'il évite l'utilisation d'un DAC, ce qui réduit la complexité du circuit.

Convertisseur à double pente

Une réponse à ce dilemme de dérive d'étalonnage se trouve dans une variante de conception appelée double pente convertisseur. Dans le convertisseur à double pente, un circuit intégrateur est entraîné positivement et négativement dans des cycles alternés pour diminuer puis augmenter, plutôt que d'être réinitialisé à 0 volt à la fin de chaque cycle.

Dans un sens de rampe, l'intégrateur est piloté par le signal d'entrée analogique positif (produisant un taux variable négatif de changement de tension de sortie, ou une pente de sortie ) pendant une durée fixe, mesurée par un compteur avec une horloge de fréquence de précision. Puis, dans l'autre sens, avec une tension de référence fixe (produisant un taux fixe de changement de tension de sortie) avec le temps mesuré par le même compteur.

Le compteur arrête de compter lorsque la sortie de l'intégrateur atteint la même tension qu'au début de la partie à temps fixe du cycle. Le temps qu'il faut au condensateur de l'intégrateur pour se décharger à sa tension de sortie d'origine, telle que mesurée par l'amplitude accumulée par le compteur, devient la sortie numérique du circuit CAN.

La méthode à double pente peut être considérée de manière analogue en termes de ressort rotatif tel que celui utilisé dans un mécanisme d'horloge mécanique. Imaginez que nous construisions un mécanisme pour mesurer la vitesse de rotation d'un arbre.

Ainsi, la vitesse de l'arbre est notre « signal d'entrée » à mesurer par cet appareil. Le cycle de mesure commence avec le ressort dans un état détendu.

Le ressort est ensuite tourné ou « enroulé » par l'arbre en rotation (signal d'entrée) pendant une durée déterminée. Cela place le ressort dans une certaine tension proportionnelle à la vitesse de l'arbre :une vitesse de l'arbre plus élevée correspond à un taux d'enroulement plus rapide et à une plus grande quantité de tension du ressort accumulée au cours de cette période.

Après cela, le ressort est désaccouplé de l'arbre et autorisé à se dérouler à une vitesse fixe, le temps qu'il se déroule pour revenir à un état détendu mesuré par un dispositif de minuterie. La quantité de temps il faut que le ressort se déroule à ce taux fixe sera directement proportionnel à la vitesse à laquelle il a été enroulé (amplitude du signal d'entrée) pendant la partie à temps fixe du cycle.

Cette technique de conversion analogique-numérique échappe au problème de dérive d'étalonnage du CAN monopente car à la fois le coefficient d'intégration de l'intégrateur (ou « gain ») et le taux de vitesse du compteur sont en vigueur pendant tout le « enroulement » et « déroulement ». « parties de cycle. Si la vitesse d'horloge du compteur augmentait soudainement, cela réduirait la période de temps fixe où l'intégrateur « s'enroule » (entraînant une moindre tension accumulée par l'intégrateur), mais cela signifierait également qu'il compterait plus rapidement pendant la période de moment où l'intégrateur a été autorisé à « dérouler » à un taux fixe.

La proportion dans laquelle le compteur compte plus rapidement sera la même proportion que la tension accumulée de l'intégrateur est diminuée avant le changement de vitesse d'horloge. Ainsi, l'erreur de vitesse d'horloge s'annulerait et la sortie numérique serait exactement ce qu'elle devrait être.

Un autre avantage important de cette méthode est que le signal d'entrée est moyenné lorsqu'il pilote l'intégrateur pendant la partie à temps fixe du cycle. Tout changement dans le signal analogique pendant cette période de temps a un effet cumulatif sur la sortie numérique à la fin de ce cycle.

D'autres stratégies ADC se contentent de « capturer » le niveau du signal analogique à un moment donné à chaque cycle. Si le signal analogique est « bruyant » (contient des niveaux importants de pics/creux de tension parasites), l'une des autres technologies de convertisseur ADC peut occasionnellement convertir un pic ou un creux car il capture le signal à plusieurs reprises à un moment donné.

Un CAN à double pente, en revanche, fait la moyenne de tous les pics et creux au cours de la période d'intégration, fournissant ainsi une sortie avec une plus grande immunité au bruit. Les CAN à double pente sont utilisés dans les applications exigeant une grande précision.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :


Technologie industrielle

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