Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Аналогово-цифрові перетворювачі
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2014
Тип роботи:
Посібник
Предмет:
Інформаційні технології
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
ВСП – Технічний коледж НУ «Львівська політехніка»
Циклова комісія інформаційних технологій
Методичний посібник
до лабораторної роботи по темі
"Аналогово-цифрові перетворювачі"
Львів 2014
Аналогово-цифровий перетворювач (АЦП)
Мета роботи - вивчити основні принципи роботи, побудову структур, ознайомитися з основними технічними параметрами АЦП.
Вступ
Аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) - один з найважливіших електронних компонентів у вимірювальному і тестовому устаткуванні. АЦП перетворює напругу (аналоговий сигнал) в код, над яким мікропроцесор і програмне забезпечення виконують певні дії. Навіть якщо працювати тільки з цифровими сигналами, швидше за все використовується АЦП у складі осцилографа, щоб упізнати їх аналогові характеристики.
Існує декілька основних типів архітектури АЦП, хоча в межах кожного типу існує також безліч варіацій. Різні типи вимірювального устаткування використовують різні типи АЦП. Наприклад, в цифровому осцилографі використовується висока частота дискретизації, але не потрібно висока розділова здатність. У цифрових мультиметрах потрібна більша роздільна здатнцість, але можна пожертвувати швидкістю вимірювання. Системи збору даних загального призначення за швидкістю дискретизації і роздільної здатності зазвичай займають місце між осцилографами і цифровими мультиметрами. В устаткуванні такого типу використовуються АЦП послідовного наближення або сигма-дельта АЦП. Існують також паралельні АЦП для додатків, що вимагають швидкісної обробки аналогових сигналів, і інтегруючі АЦП з високими роздільною здатністю і перешкодоподавленням.
На рис. 1 показані можливості основної архітектури АЦП залежно від роздільної здатності і частоти дискретизації.
/
Рис. 1 - Типи АЦП – роздільна здатність залежно від частоти дискретизації
Загальна інформація
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП, англ. Analog - to - digital converter, ADC) - пристрій, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал). Зворотне перетворення здійснюється при допомозі ЦАП (цифро-аналогового перетворювача, DAC). Як правило, АЦП - електронний пристрій, що перетворює напругу в двійковий цифровий код. Проте, деякі неелектронні пристрої з цифровим виходом, слід також відносити до АЦП, наприклад, деякі типи перетворювачів кут-код. Простим однорозрядним двійковим АЦП є компаратор.
Дискретизація, квантування, кодування
Аналоговий сигнал є безперервною функцією часу, в АЦП він перетворюється в послідовність цифрових значень. Сам процес перетворення включає три основні операції: дискретизацію, квантування і кодування (рис. 2).
Операція дискретизації полягає в тому, що згідно заданого аналогового сигналу S(рис. 2, a) будується дискретний сигнал S(nT), причому S(nT) =S(t). Фізично така операція еквівалентна миттєвій фіксації вибірки з безперервного сигналу S(t) в моменти часу t = nТ, після чого утворюється послідовність вибіркових значень {(S(nT)}. Звичайно, таку дискретизацію на практиці здійснити неможливо. Реальні пристрої, що запам'ятовують значення аналогового сигналу (вони називаються пристрої вибірки і зберігання - ПВЗ), не в змозі зробити цього миттєво- час підключення їх до джерела сигналу завжди звичайний. Крім того, через не ідеальності ключів і кіл заряду запам’ятовуючої ємності ПВЗ, значення взятої вибірки S(nT) в тій чи іншій мірі відрізняється від величини початкового сигналу S(t). Проте в абстрактних міркуваннях рівність S(t) = S(nT) вважається справедливою.
Оскільки дискретний сигнал S(nT) в моменти часу t = nТ зберігає інформацію про аналоговий сигнал S(t) і в спектрі сигналу S(nT) міститься спектр сигналу S(t), то останній, очевидно, може бути відновлений. Для цього дискретний сигнал достатньо пропустити через фільтр низьких частот, смуга якого відповідає смузі частот початкового сигналу. Умова, при якій відновлення початкового сигналу S(t) за його дискретними значеннями S(nT) буде можливою, сформульована у відомій теоремі Котельникова (теорема відліків): "Якщо найвища частота в спектрі функції S(t) менша, fmax, то функція S(t) повністю визначається послідовністю своїх значень в моменти, віддалені один від одного не більше, ніж на l/fmax секунд.
Іншими словами, щоб відновлення було точним, частота дискретизації F повинна щонайменше в два рази перевищувати максимальну частоту fmax в спектрі перетворюваного аналогового сигналу S(t). Ця гранично допустима максимальна частота fmax в спектрі сигналу називається частотою Найквіста fн.
/
/
/
Рис 2 - Аналого-цифрове перетворення: (а) - початковий аналоговий сигнал; (б) - дискретизація; (в) - квантування
Нерідко частоту Найквіста fн плутають із швидкістю Найквіста Fн, яка характеризує мінімально можливу для цієї частоти Найквіста швидкість дискретизації аналогового сигналу і яка є удвічі вищою за максимальну частоту в його спектрі (частоти Найквіста).
На практиці при дискретизації широкосмугових сигналів доводиться жорстко обмежувати їх спектри за допомогою високодобротних фільтрів низьких частот, які називаються проти-елайсинг фільтрами. Спад характеристики у таких фільтрів (як, втім, і у будь-яких інших фільтрів) не буває суворо вертикальним. Тому реально частота fmax має бути дещо нижчою за частоту Найквіста fH. Проте при аналізі теоретичних моделей аналого-цифрових перетворювачів часто користуються поняттями частоти і швидкості Найквіста, вважаючи, що швидкість Найквіста FH - це подвоєна частота Найквіста fH, тобто FH = 2fH. У переважній більшості випадків використовується рівномірна (з постійним періодом) дискретизація - як унаслідок того, що до неї легше застосувати математичний апарат, так і внаслідок того, що пристрої для її здійснення набагато простіше реалізувати фізично.
Після того, як сигнал дискретизується, здійснюється його квантування і кодування, що, власне, і є основною операцією при аналого-цифровому перетворенні. На цьому етапі згідно заданого дискретного сигналу S(nT) будується цифровий кодований сигнал Sц(nT). Як і дискретний, цифровий сигнал описується гратчастою функцією, але в даному випадку ця гратчаста функція є ще і квантованою, тобто здатною приймати лише ряд дискретних значень, які називаються рівнями квантування (рис 2, в). Рівні квантування утворюються шляхом розбиття усього діапазону, в якому змінюється аналоговий сигнал, на ряд ділянок, кожному з яких привласнюється певний номер. Ці номери кодуються заздалегідь вибраним кодом, найчастіше двійковим, а їх кількість N вибирається такою, що дорівнює 2m, де m - розрядність коду.
Якщо сигнал однополярний, то всі 2m рівнів виражатимуть позитивні значення аналогового сигналу. Для двополярного одна половина (2m/2=2m-1) рівнів виражатиме негативні значення сигналу, інша (також 2m-1) - позитивні.
Квантування може здійснюватися двома способами. При одному способі відстань між будь-якими двома сусідніми рівнями, яка називається кроком квантування, буде однаковою (так зване лінійне квантування). Спосіб, коли крок квантування змінюється, - це нелінійне квантування. Надалі будуть розглянуті лінійні АЦП.
Дискретні сигнали, як і аналогові, утворюють лінійний простір відносно операцій складання, віднімання, множення, якщо виконується умова теореми Котельникова. Цифрові ж сигнали, отримані шляхом квантування, лінійного простору відносно операцій складання і множення не утворюють. По-перше, процедура квантування майже завжди супроводжується появою неусувної похибки. По-друге, лінійна комбінація цифрових сигналів, що виражаються m -розрядними кодами, може мати розрядність більшу, ніж m (особливо при операціях множення), щоб отримати m -розрядний код результату, доводиться виконувати операцію округлення і усікання. Тому пристрої цифрової обробки сигналів, що реалізовують перетворення однієї цифрової послідовності Sц1(nT) в іншу Sц2(nТ) шляхом виконання звичайних арифметичних операцій складання і множення (у САК зазвичай розрахунок регуляторів), є, в принципі, нелінійними.
Часто при проектуванні систем, що включають пристрої аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворень сигналів, отриманих в результаті обмеження спектру широкосмугових сигналів за допомогою фільтрів низьких частот, розробники переносять затвердження теореми Котельникова про можливість точного відновлення початкового аналогового сигналу за відліками дискретного на результат аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворень, що являється в принципі, помилковим. Тому в тому виді, в якому теорема Котельникова сформульована для дискретних сигналів, до систем, що включають АЦ- і ЦА- перетворення, непридатна, вона може служити тільки теоретичною моделлю для наближених розрахунків.
Оскільки реальні АЦП не можуть здійснити аналого-цифрове перетворення миттєво, вхідне аналогове значення повинне утримуватися постійним, принаймні від початку до кінця процесу перетворення (цей інтервал часу називають час перетворення).
Нині випускається велика кількість інтегральних АЦП, які відрізняються конструктивною і функціональною закономірністю, але в основу роботи закладені деякі стандартні, фундаментальні принципи. При цьому в структурі деяких АЦП є присутній пристрій ПВЗ, в інших - ПВЗ відсутній.
Розрядність АЦП
Розрядність АЦП характеризує кількість дискретних значень, які перетворювач може видати на виході. У двійкових АЦП розрядність вимірюється в бітах. Розрядністю АЦП визначається і його роздільна здатність - мінімальна зміна величини вхідного аналогового сигналу, яка може бути зафіксована даним АЦП. АЦП перетворює сигнал (напругу) що знаходиться в діапазоні вимірюваних сигналів. Нижня і верхня межа цього діапазону визначаються напругою, поданою на відповідні виводи. Для мікроконтролера (МК) зі вбудованим АЦП, нижня межа - це рівень GND (0 В), а верхня - подається на окремий вивід (AREF - Analog Reference) або використовуються внутрішні джерела опорної напруги. При діапазоні вхідної напруги від 0 В до 5 В і використанні 10-бітового АЦП ми маємо наступну роздільну здатність АЦП (див. рис. 3). Тобто АЦП в змозі розрізнити сигнали які відрізняються на 4,9 мВ. При збільшенні сигналу на 4,9 мВ - результат перетворення збільшиться на 1. Якщо для такого ж діапазону вхідних сигналів використовувати АЦП з більшою розрядністю, то можна зафіксувати менші значення, тобто набути точнішого значення сигналу (на рис. 4 представлені значення при використанні 24-бітового АЦП). За відсутності різного роду помилок, розрядність АЦП визначає теоретично можливу точність АЦП. На практиці дозвіл АЦП обмежений відношенням сигнал/шум вхідного сигналу. При великій інтенсивності шумів на вході АЦП розрізнення сусідніх рівнів вхідного сигналу стає неможливим, тобто погіршується роздільна здатність. При цьому реально досяжна роздільна здатність описується ефективною розрядністю (Effective Number Of Bits - ENOB), яка є меншою, ніж реальна розрядність АЦП. При перетворенні сильно зашумленного сигналу молодші розряди вихідного коду практично не потрібні, оскільки містять шум.
/
Рис 3 – роздільна здатність 10-бітового АЦП
/
Рис. 4 – Роздільна здатність 24-бітового АЦП
Паралельні АЦП
Більшість високошвидкісних осцилографів і деякі високочастотні вимірювальні прилади використовують паралельні АЦП через їх високу швидкість перетворення, яка може досягати 5Г (5 * 109) відліків/с для стандартних пристроїв і 20Г відліків/с для оригінальних розробок. Зазвичай паралельні АЦП мають роздільну здатність до 8 розрядів, але зустрічаються також 10-ти розрядні версії.
Рис. 5 показує спрощену блок-схему 3-и розрядного паралельного АЦП (для перетворювачів з великою роздільною здатністю принцип роботи зберігається).
/
рис. 5 - АЦП паралельного перетворення
Тут використовується масив компараторів, кожен з яких порівнює вхідну напругу з індивідуальною опорною напругою. Така опорна напруга для кожного компаратора формується на вбудованому прецизійному резистивному дільнику. Значення опорної напруги починаються зі значення, що дорівнює половині молодшого значущого розряду (LSB), і збільшуються при переході до кожного наступного компаратора з кроком, що дорівнює VREF /2 (Vref - опорна напруга). В результаті для 3-и розрядного АЦП потрібно 23 - 1 або сім компараторів. А, наприклад, для 8-розрядного паралельного АЦП буде потрібно вже 255 (або (28 - 1)) компараторів.
Із збільшенням вхідної напруги компаратори послідовно встановлюють свої виходи в логічну одиницю замість логічного нуля, починаючи з компаратора, що відповідає за молодший значущий розряд. Можна представити перетворювач як ртутний термометр : із зростанням температури стовпчик ртуті піднімається. На рис. 5 вхідна напруга потрапляє в інтервал між V3 і V4, таким чином 4 нижні компаратори мають на виході "1", а верхні три компаратори - "0". Дешифратор перетворює (23 - 1) - розрядне цифрове слово з виходів компараторів в двійковий 3-и розрядний код.
Стани компараторів і вихідний сигнал залежно від рівня вхідної напруги можна побачити в таблиці 1.
Таблиця 1 - Стан компараторів і вихідні сигнали АЦП
Вхідна напруга
Входи дешифраторів (Д)
Виходи Д
Uвx/Q
К7
К6
К5
К4
К3
К2
K1
Q2
Q1
Q2
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
Спосіб паралельного кодування забезпечує найбільшу швидкість перетворення, через що його іноді називають способом "миттєвого кодування". І дійсно, час перетворення тут - всього один такт, і обмежено його лише швидкодією компараторів і затримкою на шифраторі.
/
/
Рис. 6 - Структурна схема паралельного біполярного АЦП з синхронізацією шифратора
Для того, щоб схема могла працювати з біполярним сигналом, в місці підключення "землі" (рис 5) приєднується негативна опорна напруга - Uоп. Якщо до складу паралельних АЦП входить велика кількість компараторів з різною швидкодією, то для синхронізації моментів формування вихідного коду шифратор стробують сигналом частоти дискретизації (рис. 6).
Двокаскадний послідовно-паралельний АЦП
Послідовно-паралельні АЦП є тим класом перетворювачів, який дозволяє використовувати швидкодію і простоту паралельних АЦП для створення багаторозрядних перетворювачів послідовного типу з високою роздільною здатністю.
Структурна схема двокаскадного послідовно-паралельного АЦП приведена на рис. 7. Як видно з рисунку, весь пристрій в цілому здійснює перетворення вхідного аналогового сигналу Uвх з 6 - розрядною роздільною здатністю. Проте перетворення здійснюється в два прийоми за допомогою двох 3-розрядних АЦП. Обидва вони, і АЦП1, і АЦП2 - паралельного типу, т. т. є однотактними. Але алгоритм роботи цієї схеми припускає їх послідовну дію, і загальна кількість тактів дорівнює трьом.
Протягом першого такту здійснюється грубе квантування вхідного сигналу Uвх з трирозрядною точністю за допомогою АЦП1. Результат цього квантування подається на вихід АЦП в якості старших розрядів вихідного коду (23 - 25) і одночасно поступає на вхід 3 - розрядного ЦАП. У другому такті аналогова напруга, яка формується на виході ЦАП і відображує результат грубого квантування в першому такті, порівнюється з істинним значенням вхідного сигналу Uвх. Різниця, отримана на виході віднімаючого пристрою ВП, поступає на вхід другого трирозрядного АЦП (АЦП2), який в третьому такті здійснює її перетворення в три молодші розряди вихідного коду (20 - 22). Таким чином, швидкодія представленого на рис 7, 6-розрядного АЦП є в три рази нижчою, ніж те, яке мав би 6-розрядний паралельний АЦП. Але, якщо для створення паралельного було б потрібно 26 - 1 = 63 компаратори, то для створення двокаскадного послідовно-паралельного - всього 2 * (23 - 1), 2 * 7 = 14 компараторів. Виграш - більш ніж в 4 рази.
Кількість каскадів в АЦП з подібною структурою може бути більшою двох, тому їх іноді називають багатокаскадними. В цьому випадку на вході кожного АЦП слід розміщувати пристрій вибірки і зберігання (ПВЗ).
Незважаючи на свою швидкість, паралельні АЦП мають свої недоліки. Через необхідності використовувати велику кількість компараторів паралельні АЦП споживають значну потужність, і їх недоцільно використовувати в додатках з батарейним живленням.
/
Рис. 7 - Структурна схема 2-каскадного послідовно - паралельного АЦП
АЦП послідовного наближення
Коли потрібна роздільна здатність 12, 14 або 16 розрядів і не потрібно високої швидкості перетворення, а визначальними чинниками є невисока ціна і низьке енергоспоживання, то зазвичай застосовують АЦП послідовного наближення. Цей тип АЦП найчастіше використовується в різноманітних вимірювальних приладах і в системах збору даних. Зараз АЦП послідовного наближення дозволяють вимірювати напругу з точністю до 16 розрядів з частотою дискретизації від 1К (210) до 1М (220) відліків/с. Рис. 8 показує спрощену блок-схему АЦП послідовного наближення. В основі АЦП цього типу лежить спеціальний регістр послідовного наближення. На початку циклу перетворення усі виходи цього регістра встановлюються в логічний 0 за винятком першого (старшого) розряду. Це формує на виході внутрішнього цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) сигнал, значення якого дорівнює половині вхідного діапазону АЦП. А вихід компаратора перемикається в стан, що визначає різницю між сигналом на виході ЦАП і вимірюваною вхідною напругою.
Наближення до аналогового сигналу відбуваються не "сходинкою", тобто починаючи з молодшого розряду, а стрибками, спочатку великими східцями, оскільки заповнення регістра послідовного наближення починається із старшого розряду коду, потім східці зменшуються відповідно до "ваги" розряду.
Дерево, що ілюструє роботу 3-и розрядного АЦП з регістром послідовних наближень, зображене на рис. 9. Наприклад, для 8-розрядного АЦП послідовного наближення (рис. 10) виходи регістра при цьому встановлюються в "10000000". Якщо вхідна напруга є меншою половини вхідного діапазону АЦП тоді вихід компаратора набуде значення логічного 0. Це дає регістру послідовного наближення команду перемкнути свої виходи в стан "01000000", що, відповідно, приведе до зміни вихідної напруги з ЦАП, що подається на компаратор. Якщо при цьому вихід компаратора як і раніше залишався б в "0", то виходи регістра
/
Рис. 8 - АЦП послідовного наближення
перемкнулися б в стан "00100000". Але на цьому такті перетворення вихідна напруга ЦАП є меншою, ніж вхідна напруга, і компаратор перемикається в стан логічної 1 (рис. 10). Це наказує регістру послідовного наближення зберегти "1" в другому розряді і подати "1" на третій розряд. Описаний алгоритм роботи потім знову повторюється до останнього розряду. Таким чином, для АЦП послідовного наближення потрібний один внутрішній такт перетворення для кожного розряду, або N тактів для N -разрядного перетворення.
Рис. 9 - Дерево аналого-цифрового перетворення
Проте, робота АЦП послідовного наближення має особливість, пов'язану з перехідними процесами у внутрішньому ЦАП. Теоретично, напруга на виході ЦАП для кожного з N внутрішніх тактів перетворення повинна встановлюватися за однаковий проміжок часу. Але насправді цей проміжок в перших тактах є значно більшим, ніж в останніх. Тому час перетворення 16-розрядного АЦП послідовного наближення більше, ніж в два рази перевищує час перетворення 8-розрядного АЦП цього типу.
АЦП послідовного наближення дозволяють найкоротшим шляхом наблизитися до вимірюваної величини і завершити процес перетворення усього за m послідовних наближень (m - розрядність вихідного коду) замість 2m-1
/
Рис. 10 - Стан компаратора і вихідний код АЦП
які було б потрібно у разі використання методу одностороннього наближення. Виграш в швидкодії буде тим більшим, чим більшою буде розрядність m. При m=6 такий виграш буде більш ніж десятиразовим (6 проти 26=64), то при m=10 він досягне більше двох порядків (10 проти 210 = 1024). За допомогою таких АЦП, залежно від кількості використовуваних розрядів, можна отримати до 105 - 106 перетворень на секунду. До того ж статична похибка перетворювачів цього типу є дуже незначною і визначається в основному використовуваним ЦАП. Це дозволяє реалізувати роздільну здатність до 16 двійкових розрядів і більше.
Цей клас АЦП, будучи розумним технічним компромісом між точністю і швидкодією, знаходить широке застосування як при побудові цифрових вимірювальних приладів, так і в різних системах цифрової обробки сигналів, що швидко міняються, спільно з ПВЗ або без останніх.
Сигма-дельта АЦП
Для проведення більшості вимірювань часто не потрібно АЦП із швидкістю перетворення, яку дає АЦП послідовного наближення, зате потрібна велика роздільна здатність.
Сигма-дельта АЦП можуть забезпечувати роздільну здатність до 24 розрядів, але при цьому поступаються в швидкості перетвореннями. Так, в сигма- дельта АЦП при 16 розрядах можна отримати частоту дискретизації до 100К відліків/с, а при 24 розрядах ця частота падає до 100-1К відліків/с, залежно від пристрою.
Зазвичай сигма-дельта АЦП застосовуються в різноманітних системах збору даних і у вимірювальному устаткуванні (вимірювання тиску, температури, ваги тощо), коли не потрібна висока частота дискретизації і потрібна роздільна здатність більше 16 розрядів.
Принцип роботи сигма-дельта АЦП є складнішим для розуміння. Ця структура відноситься до класу інтегруючих АЦП. Але основна особливість сигма-дельта АЦП полягає в тому, що частота дотримання вибірок, при яких власне і відбувається аналіз рівня напруги вимірюваного сигналу, істотно перевищує частоту появи відліків на виході АЦП (частоту дискретизації). Ця частота дотримання вибірок називається частотою передискретизации. Так, сигма-дельта АЦП із швидкістю перетворення 100К відліків/с, в якому використовується частота передискретизации в 128 разів більше, робитиме вибірку значень вхідного аналогового сигналу з частотою 12.8М відліків/с.
Порядок модулятора визначається чисельністю інтеграторів і суматорів в його схемі. Сигма-дельта модулятори N - гo порядку містять N суматорів і N інтеграторів і забезпечують більше співвідношення сигнал/шум при тій самій частоті відліків, чим модулятори першого порядку. Прикладами сигма-дельта модуляторів високого порядку є одноканальний AD7720 сьомого порядку і двоканальний ADMOD79 п'ятого порядку.
Найширше у складі ІМС використовуються одинбітові сигма-дельта модулятори, в яких як АЦП використовується компаратор, а в якості ЦАП - аналоговий комутатор (рис. 11).
/
Рис. 11 - Структурна схема сигма-дельта АЦП першого порядку
Принцип дії пояснений в таблиці 2 на прикладі перетворення вхідного сигналу, що дорівнює 0,6 В, при Uoп = +1B і - 1B. Нехай постійна часу інтеграції інтегратора чисельно дорівнює періоду тактових імпульсів. У нульовому періоді вихідна напруга інтегратора скидається в нуль. На виході ЦАП також встановлюється нульова напруга. Потім схема проходить через послідовність станів (таблиця 2, UK - стан компаратора в бітах).
У тактові періоди 2 і 7 станів системи ідентичні, оскільки при незмінному вхідному сигналі UBX = 0,6 В цикл роботи займає п'ять тактових періодів. Усереднювання вихідного сигналу ЦАП за цикл дійсно дає величину напруги 0,6 В:
(1-1+1+1+1)/5 = 0,6
Це доводить коректність роботи сигма-дельта модулятора. Вхідний сигнал поступає на інвертуючий вхід диференціального підсилювача, а на не інвертуючий - вихід однорозрядного ЦАП. Таким чином диференціальний підсилювач є елементом порівняння (віднімаючим пристроєм).
Таблиця 2 - Ілюстрація роботи сигма-дельта АЦП
Uвх=0,6 В
Uвх=0 В
N такту
U∑, В
Uи, В
Uк, біт
UЦАП, В
N такту
U∑, В
Uи, В
Uк, біт
UЦАП, В
1
0,6
0,6
1
1
1
1
1
1
1
2
-0,4
0,2
1
1
2
-1
0
0
-1
3
-0,4
-0,2
0
-1
3
1
1
1
1
4
1,6
1,4
1
1
4
-1
0
0
-1
5
-0,4
1,0
1
1
5
1
1
1
1
6
-0,4
0,6
1
1
6
-1
0
0
-1
7
-0,4
0,2
1
1
7
1
1
1
1
8
-0,4
-0,2
0
-1
8
-1
0
0
-1
9
1,6
1,4
1
1
9
1
1
1
1
10
-0,4
1,0
1
1
10
-1
0
0
-1
11
-0,4
0,6
1
1
11
1
1
1
1
12
-0,4
0,2
1
1
12
-1
0
0
-1
13
-0,4
-0,2
0
-1
13
1
1
1
1
14
1,6
1,4
1
1
14
-1
0
0
-1
15
-0,4
1,0
1
1
15
1
1
1
1
16
-0,4
0,6
1
1
16
-1
0
0
-1
Інтегратор - це активний аналоговий ФНЧ з високим підсиленням в смузі частот вхідного сигналу і пригніченням частотних складових, що лежать поза цією смугою. Квантувач - це в першому наближенні компаратор з порогом спрацьовування, що дорівнює "0", вихід якого може перемикатися із стану "-Uoп" в стан "+Uоп", і який приєднаний до входу елементу пам'яті, що синхронізується тактовою частотою (частотою дискретизації), зберігає цей стан протягом тактового інтервалу. Якщо припустити, що на виході цього елементу пам'яті, який одночасно є і виходом з рівнями модулятора, повинен формуватися цифровий сигнал що відповідає рівням логічного "нуля" і "одиниці" (АЦП), то таким елементом пам'яті може служити звичайний D -тригер. Правда, в петлі зворотного зв'язку при цьому знадобиться окремий перемикальний пристрій, що виконує функції ЦАП (на рис. 11 показано штриховою лінією), керований цифровим сигналом, а на виході формує або "-Uoп", або "+Uoп".
Додатковою і дуже важливою перевагою сигма-дельта АЦП є те, що усі його внутрішні вузли можуть бути виконані інтегральним способом на площі одного кремнієвого кристала. Це помітно знижує вартість кінцевих пристроїв і підвищує стабільність характеристик АЦП.
Спосіб формування багаторозрядних відліків на виході сигма-дельта модулятора залежить від того, яка потрібна розрядність цих відліків і з якою швидкістю вони повинні слідувати. Підвищення розрядності і швидкості дотримання відліків (частоти дискретизації Fд) ускладнює завдання і обмежує вибирання засобів, за допомогою яких це завдання може бути вирішене.
Найбільш простим способом отримання багаторозрядних відліків на виході сигма-дельта модулятора є підрахунок кількості "одиниць" в цифровому потоці, що формується одноконтурним сигма-дельта модулятора 1-го порядку, за період дискретизації Тд=1/ Fд .
Якщо задані частота дискретизації Fд і розрядність вихідного коду m, то тактова частота Fт, на якій працює сигма-дельта модулятор, має бути вищою за частоту дискретизації у k разів :
Fт = k*Fд
де k = 2m (при максимальному Uвх усі розряди лічильника 2 мають бути встановлені в "одиниці"). Тоді інтервал часу, що дорівнює періоду дискретизації, можна сформувати шляхом ділення тактової частоти FT на число k за допомогою звичайного лічильника (лічильник 1).
Підрахунок "одиниць" в цифровому потоці також здійснюється за допомогою лічильника (лічильник 2), причому на його рахунковий вхід подається та ж тактова частота FT, а на вхід дозволу лічби поступають "одиниці" коду. Коли на вході дозволу присутня "одиниця", лічильник збільшує свій вміст, а коли "0" - стан залишається тим самим. У кінці кожного періоду дискретизації сигналом з лічильника 1 вміст лічильника 2 переписується в N -розрядний вихідний регістр, а сам лічильник 2 обнулюється. Таким чином, на виході АЦП формується код відліку, що чисельно дорівнює кількості "одиниць" в цифровому потоці на виході D -тригера за період дискретизації.
Описаний метод є надзвичайно простим, але має невисоку точність і застосовується тільки для квантування процесів, що повільно міняються, або у разі, коли високої точності не потрібно. Якщо ж сигнал на вході перетворювача змінюється швидко (отже, частота дискретизації має бути великою) і необхідно отримати високу роздільну здатність, то використання цього методу стає неможливим. У подібних випадках вікористовують інші методи побудови сигма-дельта АЦП щляхом застосування модуляторів 2-го і вищих порядків, каскадним з'єднанням таких модуляторів, використанням багаторозрядних квантувачів і багаторозрядних ЦАП в петлі зворотного зв'язку, а на виході розміщують складні цифрові фільтри високих порядків, децимації (проріджування) однорозрядного цифрового потоку, що виконують операцію, - разом із збільшенням розрядності вихідного коду.
Інтегруючі АЦП
І останній тип АЦП - АЦП двотактної інтеграції. У цифрових мультиметрах, як правило, використовуються саме такі АЦП, тому що у цих вимірювальних приладах потрібне поєднання високої роздільної здатності і високого пригнічування перешкод. Ідея перетворення в такому інтегруючому АЦП набагато менш складна, ніж в сигма-дельта АЦП.
На рис. 12 показаний принцип роботи АЦП двотактної інтеграції. Вхідний сигнал заряджає конденсатор протягом фіксованого періоду часу, який зазвичай складає один період частоти живлячої мережі (50 або 60 Гц) або кратний йому. При інтеграції вхідного сигналу протягом проміжку часу такої тривалості високочастотні перешкоди пригнічуються. Одночасно виключається вплив нестабільності напруги мережевого джерела живлення на точність перетворення. Це відбувається тому, що значення інтеграла від синусоїдального сигналу дорівнює нулю, якщо інтеграція здійснюється в часовому інтервалі, який є кратним періоду зміни синусоїди.
Після закінчення часу заряду АЦП розряджає конденсатор з фіксованою швидкістю, тоді як внутрішній лічильник підраховує кількість тактових імпульсів за час розряду конденсатора. Більший час розряду, таким чином, відповідає більшому значенню показів лічильника і більшій вимірюваній напрузі (рис. 12).
АЦП двотактної інтеграції мають високу точність і високу роздільну здатність, а також мають порівняно просту структуру. Це дає можливість виконувати їх у вигляді інтегральних мікросхем. Основний недолік таких АЦП - великий час перетворення, обумовлений прив'язкою періоду інтеграції до тривалості періоду живлячої мережі. Наприклад, для 50 Гц-го - устаткування частота дискретизації АЦП двотактної інтеграції не перевищує 25 відліків/с. Кінцеві, такі АЦП можуть працювати і з більшою частотою дискретизації, але при збільшенні останньої завадозахищеність падає.
/
Рис. 12 - Інтегруючий АЦП. Пунктиром виділена перешкода від мережі
Похибка АЦП
Існують загальні визначення, які прийнято використовувати відносно аналого-цифрових перетворювачів. Проте, характеристики, що приводяться в технічній документації виробників АЦП, можуть здатися досить плутаними. Правильний же вибір оптимального за поєднанням своїх характеристик АЦП для конкретного застосування вимагає точної інтерпретації даних, що приводяться в технічній документації.
Найбільш часто плутаними параметрами є роздільна здатність і точність, хоча ці дві характеристики реального АЦП украй слабо пов'язані між собою. роздільна здатність не ідентична точності, 12-розрядний АЦП може мати меншу точність, ніж 8-розрядний. Для АЦП роздільна здатність є мірою того, на яку кількість сегментів може бути поділений вхідний діапазон вимірюваного аналогового сигналу (наприклад, для 8-розрядного АЦП це 28=256 сегментів). Точність же характеризує сумарне відхилення результату перетворення від свого ідеального значення для цієї вхідної напруги. Тобто, роздільна здатність характеризує потенційні можливості АЦП, а сукупність точнісних параметрів визначає реалізацію такої потенційної можливості.
АЦП перетворює вхідний аналоговий сигнал у вихідний цифровий код. Для реальних перетворювачів, що виготовляються у вигляді інтегральних мікросхем, процес перетворення не є ідеальним: на нього впливають як технологічний розкид параметрів при виробництві, так і різні зовнішні перешкоди. Тому цифровий код на виході АЦП визначається з похибкою. У специфікації на АЦП вказуються похибки, які дає сам перетворювач. Їх зазвичай поділяють на статичні і динамічні. При цьому саме кінцеве застосування визначає, які характеристики АЦП вважатимуться визначними, найважливішими у кожному конкретному випадку. У більшості застосувань АЦП використовують для вимірювання сигналу (наприклад, від давача температури, тиску, від тензодавача тощо), що повільно змінюється, низькочастотного, коли вхідна напруга пропорційна відносно постійній фізичній величині. Тут основну роль відіграє статична похибка вимірювання. У специфікації АЦП цей тип похибки визначають аддитивна похибка (Offset), мультиплікативна похибка (Full - Scale), диференціальна нелінійність (DNL), інтегральна нелінійність (INL) і похибка квантування. Ці п'ять характеристик дозволяють повністю описати статичну похибку АЦП.
1.10.1. Ідеальна передавальна характеристика АЦП
Передавальна характеристика АЦП - це функція залежності коду на виході АЦП від напруги на його вході. Такий графік є кусково-лінійною функцією з 2N "сходинок", де N - розрядність АЦП. Кожен горизонтальний відрізок цієї функції відповідає одному зі значень вихідного коду АЦП (див. рис. 13). Якщо з'єднати лініями початки цих горизонтальних відрізків (на межах переходу від одного значення коду до іншого), то ідеальна передавальна характеристика буде прямою лінією, що проходить через початок координат.
/
Рис. 13 - Ідеальна передавальна характеристика 3-и розрядного АЦП
Рис. 13 ілюструє ідеальну передавальну характеристику для 3-и розрядного АЦП з контрольними точками на межах переходу коду
22.12.2015 22:12-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора