Integrirajući A/D konvertori nazivaju se još i konvertori sa vremenskim ekvivalentom, jer se A/D konverzija odvija kroz proces kvantizacije vremenskog intervala koji predstavlja ekvivalent naponu na ulazu u konvertor.

Kod startnog i pratećeg konvertora etaloni su iste prirode kao i merena veličina, tako da je njen digitalni ekvivalent iznalažen direktnim brojanjem kvantizacionih nivoa. Umesto stepenastog referentnog napona sa kojim se poredi analogni odmerak signala, može se upotrebiti i kontinualni monotono opadajući ili rastući napon. Pošto je i taj napon analogni, ne možemo pomoću njega ostvariti direktnu kvantizaciju ulaznog signala, ali ako poznajemo vremensku zavisnost monotono promenljivog napona kvantizacije može se izvesti pomoću pogodno odabranog etalona vremena.

Kod ovog tipa A/D konvertora, konverzija se odvija u dva koraka:

• Transformacija ulaznog napona u vremenski interval
• Kvantizacija dobijenog vremenskog intervala

Vremenski interval se dobija sa inegratora koji je prikazan na slici 1.

Imamo da je struja koja prolazi kroz otpornik jednaka:

f.1.

Struja kroz kondenzator jednaka je:

f.2.

Odakle dobijamo da je napon na kondenzatoru:

f.3.

Izjednačavanjem struje kondenzatora sa ulaznom strujom tj. strujom koja prolazi kroz ulaznu otpornost dobijamo da je napon na kondenzatoru jednak:

f.4.

Integrirajući A/D konvertori mogu se koristiti za konverziju podataka sa visokom tačnošću i malom brzinom. Ovi A/D konvertori su spori jer su signali sporopromenljivi. Greška ofseta kod ovih konvertora je mala i mogu imati visoku linearnost.

Što se tiče upotrebe ovih konvertora , oni imaju široku upotrebu u mernim instrumentima za merenje napona i struje. Osetljivi su na promene temperature.

Imamo dva tipa integrirajućih A/D konvertora:

• Konvertor sa jednostrukim nagibom
• Konvertor sa dvostrukim nagibom

Konvertori sa jednostrukim nagibom

Konvertor sa jednostrukim nagibom transformiše ulazni signal u vreme. Da bi se ostvarila linearna zavisnost između veličine ulaznog napona i trajanja vremenskog intervala, referentni napon V_R treba da se menja linearno sa vremenom. Da bi se to postiglo ulazni napon se generiše pomoću integratora. Na slici 2 prikazana je šema A/D konvertora sa jednostrukim nagibom sa strujnim izvorom. Integrator čine kondenzator C i tranzistor TR₁. Tranzistor TR₁ upotrebljen je kao prekidač preko koga se vrši resetovanje, odnosno pražnjenje kondenzatora C. Pre svakog ciklusa konverzije potrebno je resetovati kondenzator kao i brojač, što se postiže resetovanjem D flipflopa i pri tome izlaz Q kontrolnog kola obezbeđuje nizak napon na bazi tranzistora TR₁, pa tranzistor odlazi u zasićenje i na taj način prazni kondenzator C.

Ciklus konverzije započinje setovanjem kontrolnog flipflopa. Visoki napon na izlazu Q blokira tranzistor TR₂, pa kondenzator C počinje da se puni konstantnom strujom tranzistora TR₁. Zahvaljujući tome napon na kondenzatoru V_R raste linearno sa vremenom. Ovaj napon se dovodi na komparator radi poređenja sa analognim podatkom V_A. Sve dok je V_A > V_R na komparatorskom izlazu k postoji visok nivo napona. Brojanje taktnih impulsa traje sve dotle, dok napon V_R ne dostigne vrednost V_A. Kada se izjednače ta dva napona komparator se prebacuje u stanje ligičke 0, čime je završen konverzacioni ciklus, a krajnji rezultat brojanja predstavlja digitalni ekvivalent ulazne analogne vrednosti. Prema tome, efektivno vreme konverzije započinje setovanjem kontrolnog flipflopa, a završava se izjednačavanjem ulaznog i referentnog napona. Ciklusno vreme konverzije uključuje i vreme pražnjenja kondenzatora C. Vremenski dijagrami signala konvertora prikazanog na slici 2 prikazani su na slici 3.

Struja punjenja kondenzatora C je konstantna i ona iznosi:

f.5.

gde je V_Z radni napon Cenerove diode. Vremenska zavisnost referentnog napona data je izrazom:

f.6.

Porast referentnog napona ograničen je uslovom:

f.7.

odakle se nalazi vremenski ekvivalent analogne vrednosti:

f.8.

Ako se ovaj vremenski interval kvantuje periodom taktnog generatora T_P, nalazi se da on sadrži N perioda.

Iz jednakosti:

f.9.

nalazi se da je:

f.10.

Gornji izraz pokazuje da je analogni napon V_A proporcionalan broju impulsa N koji je odbrojan na binarnom brojaču, što znači da je prenosna karakteristika konvertora linearna.

Opisani uređaj ponekad se naziva A/D konvertor sa širinskom modulacijom. To upravo znači da veličina analognog signala određuje vreme trajanja, odnosno širinu impulsa u toku koga se odvija proces brojanja. Posmatrano sa ovog stanovišta opisana konverzija je naročito pogodna za prenos informacija, pri čemu je dovoljno da se prenose samo start i stop impulsi vremenskih ekvivalenata T_i.

Konvertori sa dvostrukim nagibom

Tačnost A/D konvertora sa vremenskom kvantizacijom može da se poveća korišćenjem principa konverzije pomoću dvostrukog nagiba. Takav konvertor prikazan je na slici 4.

Integrator je izveden pomoću operacionog pojačavača OP. Start-komandom preko analognog prekidača AP zatvara se prekidač P₁, a otvara P₂. Napon na izlazu operacionog pojačavača počinje linearno da raste i čim pređe potencijal nule komparator K otvara I kolo za prolaz taktnih impulsa P_T. Ovi impulsi pobuđuju binarni brojač sve dotle, dok svi njegovi stepeni ne pređu iz resetovanog u setovano stanje.

Na slici 5 predstavljen je vremenski dijagram signala koji se pojavljuju u A/D konvertoru prikazanom na slici 4.

Vreme T_A, za koje će brojač stići od 0 do svoje maksimalne vrednosti određeno je kapacitetom brojača i učestanošću taktnog generatora. U toku tog vremena vrši se integracioni proces pod dejstvom ulaznog analognog napona V_A, usled čega se na izlazu operacionog pojačavača formira linearni napon:

f.11.

Po isteku vremena T_A ništa se nije izmenilo u pogledu dovođenja taktnih impulsa na brojač. Prvi impuls koji nailazi posle pojavljivanja maksimalne vrednosti brojača, vraća brojač ponovo u početno stanje, a kao posledica toga prebacuje se i analogni prekidač AP u drugi položaj. Prema tome, na operacionom pojačavaču započinje integracija pod dejstvom referentnog napona V_R tako da se sada na njegovom izlazu formira opadajući linearni napon:

f.12.

U toku formiranja ovog napona brojač ponovo odbrojava impulse sve dotle dok napon v_VR(t) ne dostigne nulti potencijal, kada komparator k sprečava dalje pobuđivanje brojača. Prema tome, iz uslova v_VR(T_R)=0 nalazi se vremenski ekvivalent analognog napona:

f.13.

Ako se ovo vreme kvantuje periodom generatora T_P, nalazi se da je:

f.14.

gde je N broj primljenih impulsa u brojaču. Vidi se da je digitalni ekvivalent ulazne analogne vrednosti izražen brojem impulsa koje brojač primi u toku druge integracije. Primećujemo da kod A/D konvertora sa dvostrukim nagibom, za razliku od A/D konvertora sa jednostrukim nagibom, vremenska konstanta RC nema uticaja na proces konverzije, pa je time eliminisana i greška koju ona unosi. Šta više, konverzija ne zavisi ni od stabilnosti etalona tj. periode taktnog generatora, s obzirom da se i vreme T_A meri istim etalonom. Prema tome, A/D konvertor sa dvostrukim nagibom odlikuje se velikom tačnošću, ali i vrlo malom brzinom konverzije. To je sasvim razumljivo kad se ima u vidu da ciklus konverzije obuhvata i vremenski period T_A, koji je utoliko veći što je rezolucioni napon konvertora manji.