Бакалаврская работа - Аналогоцифровые преобразователи - файл n1.docx

приобрести
Бакалаврская работа - Аналогоцифровые преобразователи
скачать (841.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx842kb.01.06.2012 11:27скачать

n1.docx

  1   2   3

СОДЕРЖАНИЕ

с.

Введение

5

1 Аналитический обзор

6

1.1 Общие сведения об АЦП

6

1.2 Классификация АЦП

10

1.2.1 Параллельные АЦП

11

1.2.2 Последовательно-параллельные АЦП

14

1.2.3 Последовательные АЦП

19

1.2.4 Интегрирующие АЦП

23

1.2.5 Преобразователи напряжение-частота

28

1.3 Системы сбора данных и микроконверторы

32

1.4 Интерфейсы АЦП

34

1.4.1 АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных

38

1.4.2 АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных

38

1.5 Параметры АЦП

41

1.5.1 Статические параметры

41

1.5.2 Динамические параметры

44

2 Образцы микросхем и устройств АЦП

46

3 Заключение

55

Список используемой литературы

56



Введение

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода-вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д.[1] В настоящее время применяют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную и полупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИС) АЦП в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью.

1 Аналитический обзор

1.1 Общие сведения об АЦП

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел U'(tj), j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность U(tj). Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную U'(tj).[3]

В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм

, (1.1)

где - некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени;

- набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в качестве коэффициентов aj следует использовать мгновенные значения сигнала U(tj) в дискретные моменты времени tj= jDt, а период дискретизации выбирать из условия

, (1.2)

где - максимальная частота спектра преобразуемого сигнала.

При этом выражение (1.1) переходит в известное выражение теоремы отсчетов

, (1.3)

Для сигналов со строго ограниченным спектром это выражение является тождеством. Однако спектры реальных сигналов стремятся к нулю лишь асимптотически. Применение равномерной дискретизации к таким сигналам приводит к возникновению в системах обработки информации специфических высокочастотных искажений, обусловленных выборкой. Для уменьшения этих искажений необходимо либо увеличивать частоту дискретизации, либо использовать перед АЦП дополнительный фильтр нижних частот, ограничивающий спектр исходного сигнала перед его аналого-цифровым преобразованием.

В общем случае выбор частоты дискретизации будет зависеть также от используемого в (1.1) вида функции fj(t) и допустимого уровня погрешностей, возникающих при восстановлении исходного сигнала по его отсчетам. Все это следует принимать во внимание при выборе частоты дискретизации, которая определяет требуемое быстродействие АЦП. Часто этот параметр задают разработчику АЦП.

Рассмотрим более подробно место АЦП при выполнении операции дискретизации.

Для достаточно узкополосных сигналов операцию дискретизации можно выполнять с помощью самих АЦП и совмещать таким образом с операцией квантования. Основной закономерностью такой дискретизации является то, что за счет конечного времени одного преобразования и неопределенности момента его окончания, зависящего в общем случае от параметров входного сигнала, не удается получить однозначного соответствия между значениями отсчетов и моментами времени, к которым их следует отнести. В результате при работе с изменяющимися во времени сигналами возникают специфические погрешности, динамические по своей природе, для оценки которых вводят понятие апертурной неопределенности, характеризующейся обычно апертурным временем.

Апертурным временем ta называют время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Эффект апертурной неопределенности проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении сигнала. При равномерной дискретизации следствием апертурной неопределенности является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени.

Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то ее наличие приводит к "дрожанию" истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В результате вместо равномерной дискретизации со строго постоянным периодом осуществляется дискретизация с флюктуирующим периодом повторения, что приводит к нарушению условий теоремы отсчетов и появлению уже рассмотренных апертурных погрешностей в системах цифровой обработки информации.[5]

Такое значение апертурной погрешности можно определить, разложив выражение для исходного сигнала в ряд Тейлора в окрестностях точек отсчета, которое для j-й точки имеет вид

(1.4)

и дает в первом приближении апертурную погрешность

, (1.5)

где ta - апертурное время, которое для рассматриваемого случая является в первом приближении временем преобразования АЦП.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\acim91a.png

Рисунок 1.1 –Образование апертурной погрешности для случая, когда она равна шагу квантования

Обычно для оценки апертурных погрешностей используют синусоидальный испытательный сигнал , для которого максимальное относительное значение апертурной погрешности

. (1.6)

Если принять, что для N-разрядного АЦП с разрешением 2N апертурная погрешность не должна превышать шага квантования (рисунок 1.1), то между частотой сигнала ?, апертурным временем ta и относительной апертурной погрешностью имеет место соотношение:

. (1.7)

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП приводит к существенному расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение достигает двух трех порядков и сильно усложняет и удорожает процесс дискретизации, так как даже для сравнительно узкополосных сигналов требует весьма быстродействующих АЦП. Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

1.2 Классификация АЦП

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. Аналого-цифровые преобразователи делятся на: параллельные (флэш), последовательные (последовательного приближения, последовательного счета (следящие), интегрирующие (однотактные, многотактные, сигма-дельта, преобразователи частота-напряжение) и последовательно-параллельные (многотактные, многоступенчатые, конвейерные).[8]

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

1.2.1 Параллельные АЦП
На рисунке 1.2 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для трехразрядного числа.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-2.jpg

Рисунок 1.2 –Схема параллельного АЦП

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.

Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от 5/2h, до 7/2h, где h=Uоп/7 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние “0”. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором, диаграмма состояний приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Входное напряжение

Состояние компараторов

Выходы

Uвх/h

K7

К6

К5

К4

K3

К2

K1

Q2

Q1

Q0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

2

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

3

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

4

0

0

0

1

1

1

1

1

0

0

5

0

0

1

1

1

1

1

1

0

1

6

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

7

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1


Параллельные АЦП (иногда называемые флэш-АЦП) — это АЦП наиболее быстрого типа, в которых используется множество компараторов. N-разрядный параллельный АЦП содержит 2N резисторов и компараторов. На каждый компаратор поступает опорное напряжение с цепочки резисторов, каждое из которых на единицу младший разряд больше, чем у его соседа снизу. При любом напряжении на аналоговом входе все компараторы, находящиеся ниже определенной точки, имеют более высокое входное напряжение, чем опорное напряжение, и их логические выходы равны «1». В то же время все компараторы выше этой точки получают более высокое опорное напряжение, чем входное, и их логические выходы устанавливаются в «0». Таким образом, выходы 2N-1 компараторов ведут себя аналогично аналоговому ртутному термометру, поэтому их выходной код часто именуют термометрическим кодом. Эти 2N-1 выходов данных преобразуются дешифратором в N-разрядный двоичный выход.[2]

Входной сигнал одновременно поступает на все компараторы, поэтому сигнал на термометрическом выходе запаздывает на величину, равную задержке одного компаратора. Настолько же задерживается и дешифрованный N-разрядный выходной код, так что процесс преобразования можно считать очень быстрым. Но в то же время в схеме присутствует большое число резисторов и компараторов, ограничивающих разрешающую способность, и, чтобы достичь высокого быстродействия, каждый компаратор приходится запускать при относительно высоком уровне мощности сигналов. Поэтому проблемами таких преобразователей является ограниченное разрешение, большое рассеяние мощности в большом числе высокоскоростных компараторов (особенно при скоростях дискретизации свыше 50 млн выборок/с) при сравнительно больших размерах микросхем (и их стоимости). К тому же сопротивления опорной резистивной цепочки приходится поддерживать довольно низкими для получения необходимых токов смещения быстродействующих компараторов, поэтому опорное напряжение должно служить источником достаточно больших токов (обычно >10 мА).

Практически параллельные преобразователи могут давать разрешение до 10 разрядов, хотя наибольшее распространение получили 8-разрядные приборы. Их максимальная частота дискретизации может достигать 1 ГГц (в основном на основе арсенида галлия при рассеиваемых мощностях в несколько ватт) с шириной полосы пропускания на уровне полной мощности 300 МГц.

Как было ранее отмечено, ширина полосы пропускания на уровне полной мощности может не соответствовать ширине полосы пропускания при полной разрешающей способности. В идеале компараторы флэш-АЦП имеют одинаково хорошие характеристики по постоянному и переменному току. Так как все компараторы тактируются одновременно, преобразователь является в то же время и преобразователем выборок. На практике разные компараторы вносят различные задержки и имеют другие несоответствия, что выражается в уменьшении эффективного числа разрядов на высоких входных частотах. Это происходит, когда входные воздействия изменяются со скоростью, соизмеримой с периодом преобразования компаратора. Поэтому на входе параллельных АЦП часто устанавливают схемы слежения и хранения, чтобы расширить динамический диапазон, свободный от искажений, при высокочастотных входных сигналах.

Входной сигнал флэш-АЦП поступает одновременно на большое число компараторов. Входная емкость зависит от напряжения, и из-за этой зависимости в большинстве флэш-АЦП на высоких входных частотах снижается эффективное число разрядов и растет уровень искажений. Поэтому большинство АЦП данного вида имеют на входе широкополосные усилители, нормально работающие при емкостной нагрузке и быстрых перепадах входных сигналов.

1.2.2 Последовательно-параллельные АЦП

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные.

Многоступенчатые АЦП

В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве. В качестве примера на рисунке 1.3 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-1.jpg

Рисунок 1.3 – Структурная схема двухступенчатого АЦП

Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход чертырехразрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность четырехразрядного.

Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению Uвх(tj). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения (УВХ) до тех пор, пока не будет получено все число.

Многотактные последовательно-параллельные АЦП

Рассмотрим пример восьмиразрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типу многотактных на рисунке 1.4. Здесь процесс преобразования разделен во времени.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-3.jpg

Рисунок 1.4 – Схема двухтактного АЦП.

Преобразователь состоит из четырехразрядного параллельного АЦП, квант h которого определяется величиной опорного напряжения, четырехразрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен 2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h1=0,16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в шестнадцать раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h2=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова.

Очевидно, что используемые в этой схеме четырехразрядные АЦП и ЦАП должны обладать восьмиразрядной точностью, в противном случае возможен пропуск кодов, т.е. при монотонном нарастании входного напряжения выходной код АЦП не будет принимать некоторые значения из своей шкалы. Так же, как и в предыдущем преобразователе, входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения.[7]

Быстродействие рассмотренного многотактного АЦП определяется полным временем преобразования четырехразрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП с погрешностью, не превышающей 0,2...0,3 кванта восьмиразрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входит в общее время преобразования дважды. В результате при прочих равных условиях преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше, но он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения.

Конвеерные АЦП

Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвеерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП, см. рисунок 1.3, вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП, схема восьмиразрядного варианта которого приведена на рисунке 1.5.
c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-4.jpg

Рисунок 1.5 – Структурная схема конвейерного АЦП.
Роль аналогового элемента задержки выполняет устройство выборки-хранения УВХ2, а цифрового - четыре D-триггера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один период тактового сигнала. Сигналы выборки, формируемые из тактового сигнала, поступают на УВХ1 и УВХ2 в разные моменты времени, рисунок 1.6, УВХ2 переводится в режим хранения позже, чем УВХ1 на время, равное суммарной задержке распространения сигнала по АЦП1 и ЦАП. Задний фронт тактового сигнала управляет записью кодов в D-триггеры и выходной регистр. Полная обработка входного сигнала занимает около двух периодов тактового сигнала, но частота появления новых значений выходного кода равна частоте тактового сигнала.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\acim97.png

Рисунок 1.6 – Диаграммы работы конвейерного АЦП.

Таким образом, конвейерная архитектура позволяет в несколько раз повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохождения сигнала, соответствующая обычному многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, не имеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП. Например, для построения двенадцатиразрядного АЦП из четырех трехразрядных необходимо двадцать восемь компараторов, тогда как его реализация из двух шестиразрядных потребует сто двадцать шесть компараторов.

1.2.3 Последовательные АЦП

Последовательные АЦП долгие годы служили опорой систем сбора данных. Последние усовершенствования позволили расширить частоту дискретизации этих АЦП до мегагерцевого диапазона.

АЦП последовательного счета

АЦП последовательного счета является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора (К), счетчика и ЦАП рисунок 1.7. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.
c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-5.jpg

Рисунок 1.7 – Структурная схема АПЦ последовательного счета
Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из единицы в ноль означает завершение процесса преобразования. [8] Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов равно.
. (1.8)
Например, при N=10 и =1 МГц =1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.

Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в них.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время совпадает с временем преобразования. Как следствие, результат преобразования черезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. При наличии высокочастотных пульсаций среднее значение выходного кода нелинейно зависит от среднего значения входного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборки-хранения пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более, чем на значение кванта преобразования.

Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

АЦП последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. Структурная схема такого АЦП изображена на рисунке 1.8.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-6.jpg

Рисунок 1.8 – Схема АЦП последовательного приближения.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает сотни раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105...106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown).

Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры четырехразрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для четырехразрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому напряжение на выходе ЦАП:

, (1.9)

где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР).

Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается «1», если меньше, то «0». В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток

. (1.10)

Таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения . Сумма является величиной постоянной, а уменьшается с уменьшением веса разряда.[6] Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации возможно уменьшение времени преобразования на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути зависит от входного сигнала. Возникающие при этом апертурные погрешности носят нелинейный характер. Для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, двенадцатиразрядный МАХ191, шестнадцатиразрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.

Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.
1.2.4 Интегрирующие АЦП
Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Действительно, выборка мгновенного значения входного напряжения, обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке последовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время и вычислительные ресурсы. В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временнoм интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.

АЦП многотактного интегрирования

Схема АЦП двухтактного интегрирования приведена на рисунке 1.9.
c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-7.jpg

Рисунок 1.9 – Схема АЦП с двухтактным интегрированием

Преобразование проходит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета. В начале первой стадии ключ замкнут, а ключ S2 разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение . Время интегрирования входного напряжения t1 постоянно; в качестве таймера используется счетчик с коэффициентом пересчета , так что

. (1.11)

К моменту окончания интегрирования выходное напряжение интегратора составляет

, (1.12)
где - среднее за время входное напряжение.

После окончания стадии интегрирования ключ S1 размыкается, а ключ S2 замыкается и опорное напряжение поступает на вход интегратора. При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению. На стадии счета выходное напряжение интегратора линейно уменьшается по абсолютной величине. Стадия счета заканчивается, когда выходное напряжение интегратора переходит через нуль. При этом компаратор К переключается и счет останавливается. Интервал времени, в котором проходит стадия счета, определяется уравнением:

. (1.13)

Подставив значение (t1) из (7) в (8) с учетом того, что

, (1.14)

где n2 - содержимое счетчика после окончания стадии счета, получим результат

. (1.15)

Из этой формулы следует, что отличительной особенностью метода многотактного интегрирования является то, что ни тактовая частота, ни постоянная интегрирования RC не влияют на результат. Необходимо только потребовать, чтобы тактовая частота в течение времени t1+t2 оставалась постоянной. Это можно обеспечить при использовании простого тактового генератора, поскольку существенные временные или температурные дрейфы частоты происходят за время несопоставимо большее, чем время преобразования.

При выводе выражений (1.11)...(1.15) мы видели, что в окончательный результат входят не мгновенные значения преобразуемого напряжения, а только значения, усредненные за время t1. Поэтому переменное напряжение ослабляется тем сильнее, чем выше его частота.[1]

Определим коэффициент передачи помехи Кп для АЦП двухтактного интегрирования. Пусть на вход интегратора поступает гармонический сигнал единичной амплитуды частотой f с произвольной начальной фазой j. Среднее значение этого сигнала за время интегрирования t1 равно

. (1.16)

Эта величина достигает максимума по модулю при j = +/- pk, k=0, 1, 2,... В этом случае

. (1.17)

Из (1.17) следует, что переменное напряжение, период которого в целое число раз меньше t1, подавляется совершенно. Поэтому целесообразно выбрать тактовую частоту такой, чтобы произведение было бы равным, или кратным периоду напряжения промышленной сети.

Различают две группы АЦП многотактного интегрирования: схемы с параллельным или последовательным выходом для сопряжения с микропроцессорами и схемы с двоично-десятичными счетчиками и дешифраторами для управления семисегментными индикаторами, в том числе мультиплексированными (572ПВ5, 572ПВ6).

АЦП многотактного интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Например, 13-разрядный AD7550 выполняет преобразование в четыре такта. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен быть снабжен довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и, как следствие, усиливает влияние помех.

Сигма-дельта АЦП

В ранней литературе эти преобразователи назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов. Многие недостатки АЦП многотактного интегрирования во многом устранены в сигма-дельта АЦП. Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов измерения на большом интервале времени. Основные узлы АЦП – это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Структурная схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рисунке 1.10.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-8.jpg

Рисунок 1.10 – схема сигма-дельта модулятора

Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.

Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Примерами сигма-дельта модуляторов высокого порядка являются одноканальный AD7720 седьмого порядка и двухканальный ADMOD79 пятого порядка.

Наиболее широко в составе ИМС используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП - аналоговый коммутатор, рисунок 1.11.

c:\documents and settings\admin\рабочий стол\без имени-9.jpg

Рисунок 1.11 – схема сигма-дельта АЦП

В сигма-дельта АЦП обычно применяются цифровые фильтры с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) вида (sinx/x)3.

Сравнение сигма-дельта АЦП с АЦП многотактного интегрирования показывает значительные преимущества первых. Прежде всего, линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у АЦП многотактного интегрирования равной стоимости. Это объясняется тем, что интегратор сигма-дельта АЦП работает в значительно более узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя, на котором построен интегратор, сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше, так что этот конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИМС. Как следствие, сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов.
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации