История электротехники

Первые АЦП с высоким быстродействием реализовывали метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодоимпульсный). Становление данного метода было связано с многочисленными попытками автоматизировать работу компенсаторов постоянного напряжения, известных с конца XIX в. и обеспечивающих чрезвычайно малую погрешность измерений (порядка 0,001%). Автоматические компенсаторы не обеспечивали ни требуемого быстродействия, ни сохранения высокой точности; их погрешность в лучшем случае составляла десятые доли процента. Для реализации метода требовалось создание источника компенсирующего напряжения на основе быстродействующего кодоуправляемого делителя эталонного напряжения, быстродействующих электронных ключей с высокими метрологическими характеристиками и электронного компаратора напряжений, который заменил бы в качестве нуль-индикатора традиционный гальванометр.

Ключи, используемые в кодоуправляемых делителях напряжения, неизбежно снижают их точность. Это связано с тем, что каждый замкнутый ключ имеет нестабильные остаточное сопротивление и ЭДС, а разомкнутый не обладает бесконечно большим сопротивлением. Поэтому еще в 40-х годах начался поиск схем делителей, точность которых мало зависит от параметров ключей. Прежде всего пришлось отказаться от традиционного последовательного соединения декад, применяемого в компенсаторах постоянного напряжения. В нашей стране еще в 1947 г. О.А. Горяинов и Г.М. Жданов предложили использовать для формирования двоичного кода АЦП параллельное соединение резисторов; в 1949 г. подобную идею использовал B.C. Уманцев.

В 50-х годах были разработаны более сложные и эффективные схемы делителей, управляемых двоичным или двоично-десятичным кодом (соответственно для системных АЦП и цифровых вольтметров). В 1956–1957 гг. был получен ряд английских и американских патентов на такие делители, схемы которых систематизировал и детально описал А.К. Саскинд (A.K. Susskind, США, 1958 г.). Некоторые из этих схем, например делитель типа R-2R (рис. 12.7), широко применяются до настоящего времени.

В качестве ключей в первых кодоимпульсных цифровых вольтметрах использовались реле, что существенно ограничивало их быстродействие и снижало надежность. Такие приборы выпускались до конца 60-х годов. Последний подобный отечественный цифровой вольтметр типа Щ1512 обеспечивал приведенную погрешность не более 0,01% и имел разрешающую способность 10 мкВ, время измерения составляло 500 мс.

В 60-х годах в кодоимпульсных вольтметрах начали широко использовать транзисторные ключи. При этом удалось повысить не только быстродействие. и надежность, но и точность приборов. Например, цифровой вольтметр типа DM2023 английской фирмы «Дайнамко» («Dynamco») обеспечивал приведенную погрешность не более 0,006%, имел разрешающую способность 10 мкВ; время измерения составляло 20 мс. Переход от резисторных делителей напряжения к индуктивным позволил еще более увеличить точность. Вольтметр типа DM2010 обеспечивал приведенную погрешность не более 0,001% при времени измерения 440 мс.

Рис. 12.7. Функциональная схема ЦАП с делителем типа R-2R

Uo — опорное напряжение; Rо.с. — сопротивление резистора обратной связи; Uвых — напряжение на выходе ЦАП

Опыт эксплуатации кодоимпульсных цифровых вольтметров очень быстро показал, что их высокую точность и хорошую разрешающую способность практически нельзя использовать из-за низкой помехозащищенности. Поэтому с конца 60-х годов они перестали использоваться в «чистом» виде. Получили распространение приборы, реализующие комбинацию метода последовательных приближений в сочетании с одним из двух методов, обладающих высокой помехозащищенностью: двухтактного интегрирования или с преобразованием напряжения в частоту. В этих приборах измеряемое постоянное напряжение не полностью компенсировалось прецизионным напряжением, вырабатываемым кодоимпульсным ЦАП, а нескомпенсированная разность напряжений измерялось, например, по методу двухтактного интегрирования.

Подобные цифровые вольтметры обладают высокой точностью и высокой помехозащищенностью. Уже один из первых таких приборов — модель TR6567 японской фирмы «Такеда Рикен» — имел хорошие метрологические характеристики: 1299999 точек на шкалу при разрешающей способности 1 мкВ, приведенную погрешность не более 0,004%, входное сопротивление не менее 10 ГОм; время измерения 1,1 с. В дальнейшем эти характеристики были улучшены.

Метод последовательных приближений способствовал не только улучшению характеристик цифровых вольтметров. Применение его в АЦП позволило повысить их точность и быстродействие, что было особенно важно для широкого использования этих преобразователей в информационно-измерительных и измерительно-вычислительных системах.