I problemi dell'ADC a rampa semplice sono risolti nell'ADC a doppia rampa (in inglese: dual slope ADC) , il cui schema generale è mostrato in figura:
Il suo funzionamento è il seguente:
- La logica di controllo inizializza il dispositivo scaricando il condensatore (mediante la chiusura di S2) mantenendo aperto S1 e resettando il contatore.
- Nell'istante t1 la logica di controllo apre S2 e mediante S1 collega la tensione analogica Vin, all'ingresso dell'integratore invertente costituito dall'operazionale in retroazione negativa col condensatore C. Supponendo Vin positivo e costante, l'uscita Vout è una rampa decrescente in quanto risultato di una integrazione invertente di un segnale costante positivo. Poiché Vout è negativa, l'uscita del comparatore è a livello ALTO. Questo livello abilita la porta AND e quindi il segnale di CLOCK può giungere al contatore che procede nel conteggio. Il conteggio si protrae fino al valore massimo consentito dal numero il di bit del contatore (per esempio, se il contatore ha 4 bit, il conteggio prosegue fino a 1111, cioè fino a 15).
- Nell'istante t2 il contatore raggiunge il conteggio massimo e si resetta. La logica di controllo fa commutare S1, deviandolo sulla tensione di riferimento VREF, che è una tensione costante e negativa. In t2, quindi, l'integratore, avendo in ingresso la tensione VREF, produce una rampa crescente. Poiché la tensione sul condensatore, cioè Vout nell'istante t2, ha raggiunto il valore V2, ne deriva che la suddetta rampa crescente inizia esattamente da V2. Poiché la rampa crescente si mantiene negativa, l'uscita del comparatore è ALTA e il CLOCK abilita un nuovo conteggio del contatore.
- Tale conteggio si protrae tino all'istante t3 in corrispondenza del quale la tensione Vout raggiunge il valore 0. Nell'istante t3, quindi, l'uscita del comparatore diventa BASSA e ciò provoca la commutazione a livello BASSO anche dell'uscita della porta AND. Il CLOCK, pertanto, non giunge più al contatore, il quale blocca il proprio conteggio.
- Il valore della tensione Vin è proporzionale al conteggio raggiunto dal contatore nell'istante t3 e quindi tale conteggio corrisponde al valore digitale prodotto in uscita dall'ADC.
Il processo descritto si ripete in corrispondenza di ogni nuovo campione Vin. La figura seguente confronta l'andamento della doppia rampa in corrispondenza di due diversi campioni di ingresso Vin1 e Vin2 con Vin1 > Vin2
In base a quanto stabilito si comprende che:
- Durante T1 la pendenza della rampa corrispondente a Vin1 è maggiore di quella della rampa corrispondente a Vin2 in quanto Vin1 > Vin2.
- Nell'istante t2 la rampa di Vin1 raggiunge il valore V1 mentre quella di Vin2 raggiunge il valore V2 essendo Vin1 > Vin2
- Durante T2 le rampe hanno sempre la stessa pendenza poiché in questo intervallo viene sempre integrata la tensione -VREF. Per questo motivo l'istante t3 dipende dal valore del campione e, come dimostrato in precedenza, il conteggio raggiunto dal contatore in questo istante è proporzionale al valore del suddetto campione.
L'ADC a doppia rampa non è sensibile a eventuali variazioni dei parametri di funzionamento (come accadeva invece con l'ADC a rampa semplice). Infatti se per esempio varia il periodo di clock e conseguentemente la frequenza di conteggio del contatore, tale variazione si ripercuote in maniera proporzionalmente uguale sia sulla rampa di discesa che su quella di salita: i due effetti si annullano a vicenda e dunque la precisione dell'ADC non è influenzata dalla precisione del contatore.
Inoltre l'ADC a doppia rampa non è molto sensibile a eventuali variazioni di rumore presenti sulla tensione Vin, poichè il funzionamento dell'ADC non dipende dal valore istantaneo di Vin ma dall'integrale di tale valore in un intervallo di tempo. Eventuali picchi di rumore vengono sensibilmente attenuati dall'operazione di integrazione.
Questo convertitore offre una buona stabilità e precisione ma presenta tuttavia un tempo elevato di conversione; viene quindi utilizzato in quei sistemi dove non vengono richieste conversioni frequenti.
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