Главная > Коммуникации и связь > Аналого-цифрові перетворювачі
Аналого-цифрові перетворювачі25-01-2012, 10:53. Разместил: tester9 |
|
Зміст Введення1.Класифікація АЦП 2.Паралельні АЦП 3.Послідовно-паралельніАЦП 3.1 Багатоступінчасті АЦП 3.2 багатотактного АЦП 3.3Конвеєрні АЦП 4.ПослідовніАЦП 4.1 АЦП послідовного рахунку 4.2 АЦП послідовного наближення 4.3Інтегруючі АЦП 4.3.1АЦП багатотактногоінтегрування 4.3.2Сігма-дельта АЦП 4.4Перетворювачінапруга-частота 5.Параметри АЦП 5.1 Статистичні параметри 5.2 Динамічні параметри 5.3Шуми АЦП Список використаної літератури Введення
Аналого-цифровіперетворювачі (АЦП) є пристроями, які приймають вхідніаналогові сигнали та генерують відповідні їм цифрові сигнали, придатнідля обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями. Принципово невиключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичнихвеличин в цифрову форму, проте це завдання вдається вирішити лише в рідкіснихвипадках через складність таких перетворювачів. Тому в даний часнайбільш раціональним визнається спосіб перетворення різних по фізичнійприроді величин спочатку в функціонально пов'язані з ними електричні, а потімвже за допомогою перетворювачів напруга-код - в цифрові. Саме ціперетворювачі мають зазвичай на увазі, коли говорять про АЦП. Процедурааналого-цифрового перетворення безперервних сигналів, яку реалізують задопомогою АЦП, являє собою перетворення безперервної функції часуU (t), описує вхідний сигнал, в послідовність чисел {U '(t j )},j = 0,1,2,:, що віднесені до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуруможна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називаєтьсядискретизацією і полягає в перетворенні неперервної функції часу U (t) вбезперервну послідовність {U (t j )}. Друга називаєтьсяквантуванням і полягає в перетворенні безперервної послідовності вдискретну {U '(t j )}. В основі дискретизаціїбезперервних сигналів лежить принципова можливість подання їх у виглядізважених сум де a j -деякі коефіцієнти або відліки, що характеризують початковий сигнал вдискретні моменти часу; f j (t) - набір елементарних функцій,використовуваних при відновленні сигналу за його відліками. Найбільш поширеноюформою дискретизації є рівномірна, в основі якої лежить теоремавідліків. Згідно з цією теоремою у якості коефіцієнтів a j слідвикористовувати миттєві значення сигналу U (t j ) в дискретні моментичасу t j = jDt,а період дискретизації вибирати з умови Dt = 1/2F m , де F m -максимальна частота спектра перетворюваного сигналу. При цьому вираз (1)переходить у відоме вираження теореми відліків Для сигналів з строгообмеженим спектром цей вираз є тотожністю. Однак спектриреальних сигналів прямують до нуля лише асимптотично. Застосування рівномірноїдискретизації до таких сигналів призводить до виникнення у системах обробкиінформації специфічних високочастотних спотворень, зумовлених вибіркою. Длязменшення цих спотворень необхідно або збільшувати частоту дискретизації,або використовувати перед АЦП додатковий фільтр нижніх частот, що обмежуєспектр вихідного сигналу перед його аналого-цифровим перетворенням. У загальному випадку вибірчастоти дискретизації буде залежати також від використовуваного в (1) виду функціїf j (t) і допустимого рівня похибок, які виникають привідновленні початкового сигналу за його відліками. Все це слід брати доувагу при виборі частоти дискретизації, яка визначає необхіднушвидкодію АЦП. Часто цей параметр задають розробнику АЦП. Розглянемо більш докладномісце АЦП при виконанні операції дискретизації. Для достатньовузькосмугових сигналів операцію дискретизації можна виконувати за допомогою самихАЦП і поєднувати таким чином з операцією квантування. Основною закономірністютакий дискретизації є те, що за рахунок кінцевого часу одногоперетворення і невизначеності моменту його закінчення, залежить в загальномувипадку від параметрів вхідного сигналу, не вдається отримати однозначноївідповідності між значеннями відліків і моментами часу, до яких їхслід віднести. В результаті при роботі з змінюються в часі сигналамивиникають специфічні похибки, динамічні за своєю природою, для оцінкияких вводять поняття апертурної невизначенності, яка характеризується зазвичайапертурним часом. апертурним часом t a називають час, протягом якого зберігається невизначеність між значеннямвибірки та часом, до якого вона належить. Ефект апертурноїневизначеності проявляється або як похибка миттєвого значення сигналупри заданих моментах вимірювання, або як похибка моменту часу, вякий проводиться вимірювання при заданому миттєвому значенні сигналу. Прирівномірної дискретизації наслідком апертурної невизначенності євиникнення амплітудних похибок, які називаються апертурними і чисельнодорівнюють приросту сигналу протягом апертурного часу. Якщо використовувати іншуінтерпретацію ефекту апертурної невизначенності, то її наявність призводить до"Тремтіння" істинних моментів часу, в які беруться відлікисигналу, по відношенню до рівновіддаленими на осі часу моментам. В результатізамість рівномірної дискретизації зі строго постійним періодом здійснюєтьсядискретизація з флюктуірует періодом повторення, що призводить до порушенняумов теореми відліків та появи уже розглянутих апертурних похибокв системах цифрової обробки інформації. Таке значення апертурноїпохибки можна визначити, розклавши вираз для вихідного сигналу в рядТейлора в околицях точок відліку, яке для j-ї точки має вигляд і дає в першомунаближенні апертурну похибка де t a -апертурний час, який для розглянутого випадку є в першомунаближенні часом перетворення АЦП. Зазвичай для оцінкиапертурних похибок використовують синусоїдальний випробувальний сигнал U (t) = U m sinDt, для якого максимальневідносне значення апертурної похибки DU a /U m = Dt a . Якщо прийняти, що дляN-розрядного АЦП з роздільною здатністю 2 -N апертурная похибка не повиннаперевищувати кроку квантування (рис. 1), то між частотою сигналу D, апертурним часом t a івідносної апертурною похибкою має місце співвідношення 1/2 N = Dt a . Для забезпеченнядискретизації синусоїдального сигналу частотою 100 кГц з похибкою 1% часперетворення АЦП має дорівнювати 25 нс. У той же час за допомогою такогошвидкодіючого АЦП принципово можна дискретизувати сигнали, що маютьширину спектра порядку 20 Мгц. Таким чином, дискретизація за допомогою самогоАЦП призводить до суттєвого розходження вимог між швидкодією АЦП іперіодом дискретизації. Ця розбіжність досягає 2 ... 3 порядків та сильноускладнює і здорожує процес дискретизації, оскільки навіть для порівняновузькосмугових сигналів вимагає досить швидкодіючих АЦП. Для достатньоширокого класу швидко змінюються сигналів цю проблему вирішують за допомогоюпристроїв вибірки-зберігання, що мають мале апертурний час. 1. Класифікація В даний часвідомо велика кількість методів перетворення напруга-код. Ці методиістотно відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістюперетворення і складністю апаратної реалізації. На рис. 2 представленакласифікація АЦП за методами перетворення. В основу класифікаціїАЦП покладено ознаку, що вказує на те, як у часі розгортається процесперетворення аналогової величини в цифрову. В основі перетвореннявибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування такодування. Вони можуть здійснюватися за допомогою або послідовної, абопаралельної, або послідовно-паралельної процедур наближення цифровогоеквівалента до пере...творюваної величини. 2. Паралельні АЦП
За допомогою трьох двійковихрозрядів можна представити вісім різних чисел, включаючи нуль. Необхідно,отже, сім компараторів. Сім відповідних еквідистантних опорнихнапруг утворюються за допомогою резистивного дільника. Якщо прикладена вхіднанапруга не виходить за межі діапазону від 5 / 2 h, до 7 / 2 h,де h = U оп /7 - квант вхідної напруги, що відповідає одиницімолодшого розряду АЦП, то компаратори з 1-го по 3-й встановлюються в стан1, а компаратори з 4-го по 7-й - у стан 0. Перетворення цієї групикодів в тризначне двійкове число виконує логічний пристрій, званепріоритетним шифратором, діаграма станів якого наведена в табл.1. Таблиця 1 Вхідна напруга Стан компараторів ВиходиU вх /h До 7 До 6 До 5 До 4 До 3 До 2 До 1 Q 2 Q 1 Q 0 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 1Підключення пріоритетногошифратора безпосередньо до виходу АЦП може призвести до помилкового результатупри зчитуванні вихідного коду. Розглянемо, наприклад перехід від трьох до чотирьох,або в двійковому коді від 011 до 100. Якщо старший розряд внаслідок меншогочасу затримки змінить свій стан раніше інших розрядів, то тимчасово навиході виникне число 111, тобто сім. Величина помилки в цьому випадку складеполовину вимірюваного діапазону. Так як результатиАЦ-перетворення записуються, як правило, в запам'ятовуючий пристрій,існує ймовірність отримати повністю невірну величину. Вирішити цюпроблему можна, наприклад, за допомогою пристрою вибірки-зберігання (ПВЗ).Деякі інтегральні мікросхеми (ІМС) паралельних АЦП, наприклад МАХ100,забезпечуються надшвидкісними ПВЗ, які мають час вибірки порядку 0,1 нс. Іншийшлях полягає у використанні коду Грея, характерною особливістю якогоє зміна тільки однієї кодової позиції при переході від одного кодовогозначення до іншого. Нарешті, в деяких АЦП (наприклад, МАХ1151) для зниженняймовірності збоїв при паралельному АЦ-перетворенні використовується двотактнийцикл, коли спочатку стану виходів компараторів фіксуються, а потім, післявстановлення стану пріоритетного шифратора, подачею активного фронту насинхровхід вихідного регістра в нього записують вихідна слово АЦП. Як видно з табл. 1, призбільшенні вхідного сигналу компаратори встановлюються в стан 1 почерзі - знизу вгору. Така черговість не гарантується при швидкомунаростанні вхідного сигналу, так як через розходження в часах затримкикомпаратори можуть перемикатися в іншому порядку. Пріоритетне кодуваннядозволяє уникнути помилки, можливої вЂ‹вЂ‹в цьому разі, завдяки тому, що одиниців молодших розрядах не беруться до уваги пріоритетним шифратором. Завдяки одночаснійроботі компараторів паралельний АЦП є найшвидшим. Наприклад,восьмизарядний перетворювач типу МАХ104 дозволяє отримати 1 млрд відліківв секунду при часі затримки проходження сигналу не більше 1,2 нс. Недолікомцієї схеми є висока складність. Дійсно, N-розрядний паралельнийАЦП стримає 2 N-1 компараторів і 2N узгоджених резисторів.Наслідком цього є висока вартість (сотні доларів США) і значнаспоживана потужність. Той же МАХ104, наприклад, споживає близько 4 Вт 3. Послідовно-паралельні АЦП Послідовно-паралельніАЦП є компромісом між прагненням отримати високу швидкодію ібажанням зробити це по можливості меншою ціною. Послідовно-паралельніАЦП займають проміжне положення по роздільній здатності і швидкодіїміж паралельними АЦП і АЦП послідовного наближення.Послідовно-паралельні АЦП підрозділяють на багатоступінчаті, багатотактногоі конвеєрні. 3.1 Багатоступінчасті АЦП
Верхній по схемі АЦПздійснює грубе перетворення сигналу у чотири старших розряди вихідногокоду. Цифрові сигнали з виходу АЦП поступають на вихідний регістр іодночасно на вхід 4-розрядного швидкодіючого ЦАП. У багатьох ІМСбагатоступінчастих АЦП (AD9042, AD9070 і ін) цей ЦАП виконаний за схемоюпідсумовування струмів на диференційних перемикачах, але деякі (AD775,AD9040A та ін) містять ЦАП з підсумовуванням напруг. Залишок від відніманнявихідної напруги ЦАП із вхідної напруги схеми надходить на вхід АЦП2,опорна напруга якого в 16 разів менше, ніж у АЦП1. Як наслідок, квантАЦП2 в 16 разів менше кванта АЦП1. Цей залишок, перетворений АЦП2 в цифровуформу являє собою чотири молодших розряду вихідного коду. Різниця міжАЦП1 і АЦП2 полягає насамперед у вимозі до точності: у АЦП1 точністьповинна бути такою ж як у 8-розрядного перетворювача, в той час як АЦП2може мати точність 4-розрядного. Грубо наближена іточна величини повинні, природно, відповідати одному і тому ж вхідномунапрузі U вх (t j ). Через наявність затримки сигналу в першійступені виникає, однак, временнoй запізнювання. Тому при використанніцього способу вхідну напругу необхідно підтримувати постійним за допомогоюпристрою вибірки-зберігання до тих пір, поки не буде отримано всі число. 3.2 багатотактного послідовно-паралельніАЦП Розглянемо приклад8-розрядного послідовно-паралельного АЦП, ставиться до типубагатотактного (рис. 5). Тут процес перетворення розділений у часі. Перетворювач складається з4-розрядного паралельного АЦП, квант h якого визначається величиноюопорної напруги, 4-розрядного ЦАП та пристрою керування. Якщомаксимальний вхідний сигнал дорівнює 2,56 В, то в першому такті перетворювачпрацює з кроком квантування h 1 = 0,16 В. В цей час вхідний код ЦАПдорівнює нулю. Пристрій керування пересилає отримане від АЦП в першому тактіслово в чотири старших розряди вихідного регістру, подає це слово на вхід ЦАПі зменшує в 16 разів опорну напругу АЦП. Таким чином, у другому такті крокквантування h 2 = 0,01 В і залишок, що утворився при відніманні звхідної напруги схеми вихідної напруги ЦАП, буде перетворений умолодший полубайт вихідного слова. Очевидно, щовикористовувані в цій схемі 4-розрядні АЦП і ЦАП повинні мати 8-розрядноїточністю, в протилежному випадку можливий пропуск кодів, тобто при монотонномунаростанні вхідної напруги вихідний код АЦП не буде приймати деякізначення зі своєї шкали. Так само, як і в попередньому перетворювачі, вхіднанапруга багатотактного АЦП під час перетворення повинно бути незмінним,для чого між його входом та джерелом вхідного сигналу слід включитипристрій вибірки-зберігання. Швидкодіярозглянутого багатотактного АЦП визначається повним часом перетворення4-розрядного АЦП, часом спрацьовування цифрових схем управління, часомвстановлення ЦАП з похибкою, що не перевищує 0,2 ... 0,3 кванта 8-розрядногоАЦП, причому час перетворення АЦП входить в загальний час перетвореннядвічі. В результаті за інших рівних умов перетворювач такого типувиявляється повільніше двоступінчастого перетворювача, розглянутого вище.Однак він простіше і дешевше. За швидкодією багатотактного АЦП займаютьпроміжне положення між багатоступінчатими АЦП і АЦП послідовногонаближення. Прикладами багатотактного АЦП є трехтактний 12-розряднийAD7886 з часом перетворення 1 мкс, або трехтактний 16-розрядний AD1382 зчасом перетворення 2 мкс. 3.3 Конвеєрні АЦП Швидкодіябагатоступінчастого АЦП можна підвищити, застосувавши конвеєрний принципбагатоступінчастої обробки вхідного сигналу. У звичайному багатоступеневомуАЦП (рис. 4) спочатку відбувається формування старших розрядів вихідного словаперетворювачем АЦП1, а потім йде період установлення вихідного сигналу ЦАП.На цьому інтервалі АЦП2 простоює. На другому етапі під час перетвореннязалишку перетворювачем АЦП2 простоює АЦП1. Ввівши елементи затримкианалогового та цифрового сигналів між ступенями перетворювача, отримаємо конвеєрнийАЦП, схема 8-розрядного варіанта якого наведена на рис. 6. Роль аналогового елементазатримки виконує пристрій вибірки-зберігання ПВХ2, а цифрового - чотириD-тригера. Тригери затримують передачу старшого полубайта у вихідний регістрна один період тактового сигналу CLK. Сигнали вибірки, 4.
Таким чином, Це Розглянемо принципи Крім того, врозряду.Для цього впертурное час одно часу між початком та фактичнимзакінченням перетворення, яке так само, як і у АЦП послідовного рахунку,по суті залежить від вхідного сигналу, тобто є змінним. Виникаючі прицьому апертурні похибки носять також нелінійний характер. Тому дляефективного використання АЦП послідовного наближення, між його входомі джерелом перетворюваного сигналу слід включати ПВЗ. Більшістьвипускаються в даний час ІМС АЦП послідовного наближення (наприклад,12-розрядний МАХ191, 16-розрядний AD7882 і ін), має вбудовані пристроївибірки-зберігання або, частіше, пристрої стеження-зберігання (track-hold),керовані сигналом запуску АЦП. Пристрій стеження-зберігання відрізняється тим,що постійно знаходиться в режимі вибірки, переходячи в режим зберігання тільки начас перетворення сигналу.Даний клас АЦП займаєпроміжне положення по швидкодії, вартості та роздільної здатностіміж послідовно-паралельними і інтегруючими АЦП та знаходить широкезастосування в системах управління, контролю та цифрової обробки сигналів. 4.3 Інтегруючі АЦП Недоліком розглянутихвище послідовних АЦП є низька завадостійкість результатівперетворення. Дійсно, вибірка миттєвого значення вхідногонапруги, зазвичай включає доданок у вигляді миттєвого значення завади.Згодом при цифровій обробці послідовності вибірок ця складоваможе бути пригнічена, проте на це потрібен час і обчислювальні ресурси. ВАЦП, розглянутих нижче, вхідний сигнал інтегрується або безперервно, або навизначеному временнoм інтервалі, тривалість якого зазвичай вибираєтьсякратній періоду перешкоди. Це дозволяє у багатьох випадках придушити заваду ще наетапі перетворення. Платою за це є знижений швидкодія інтегруючихАЦП. 4.3.1 АЦП багатотактногоінтегрування
Перетворення проходитьдві стадії: стадію інтегрування і стадію рахунку. На початку першої стадії ключ S 1 замкнутий, а ключ S 2 розімкнений. Інтегратор І інтегрує вхіднунапруга U вх . Час інтегрування вхідної напруги t 1 постійно; у якості таймера використовується лічильник з коефіцієнтом перерахунку K рах ,так що
де U вх.ср. -середнє за час t 1 вхідна напруга. Після закінчення стадіїінтегрування ключ S 1 розмикається, а ключ S 2 замикаєтьсяі опорна напруга U оп надходить на вхід інтегратора. При цьомувибирається опорна напруга, протилежна за знаком вхідній напрузі. Настадії рахунку вихідна напруга інтегратора лінійно
Підставивши значення U і (t 1 )з (7) у (8) з урахуванням того, що (9) де n 2 -вміст лічильника після закінчення стадії відліку, отримаємо результат (10) З цієї формули випливає,що відмінною особливістю методу багатотактного інтегрування є те,що ні тактова частота, ні постійна інтегрування RC не впливають нарезультат. Необхідно тільки вимагати, щоб тактова частота протягомчасу t 1 + t 2 залишалася постійною. Це можна забезпечитипри використанні простого тактового генератора, оскільки істотнітимчасові або температурні дрейф частоти відбуваються за час непорівняннобільше, ніж час перетворення. При виведенні виразів(6) ... (10) ми бачили, що в остаточний результат входять не миттєвізначення перетворюваного напруги, а тільки значення, усереднені за час t 1 .Тому змінну напругу послаблюється тим сильніше, чим вище його частота. Визначимо коефіцієнтпередачі завади Кп для АЦП двотактного інтегрування. Нехай на вхідінтегратора надходить гармонійний сигнал одиничної амплітуди частотою f здовільної початковою фазою j. Середнє значення цього сигналу за часінтегрування t 1 одно (11) Ця величина досягаємаксимуму за модулем при пЃЄ = +/- пЃ° k, k = 0, 1,
З (12) випливає, щозмінна напруга, період якого в ціле число разів менше t 1 ,пригнічується абсолютно (рис. 12). Тому доцільно вибрати тактовучастоту такою, щоб твір K рах f такт було брівним, або кратним періоду напруги промислової мережі. 4.3.2 Сігма-дельта АЦП АЦП багатотактногоінтегрування мають ряд недоліків. По-перше, нелінійність перехідноїстатичної характеристики операційного підсилювача, на якому виконуютьінтегратор, помітним чином позначається на інтегральній нелінійностіхарактеристики перетворення АЦП високого дозволу. Для зменшення впливуцього фактора АЦП виготовляють багатотактного. Наприклад, 13-розрядний AD7550виконує перетворення в чотири такти. Іншим недоліком цих АЦП єобставина, що інтегрування вхідного сигналу займає в цикліперетворення тільки приблизно третю частину. Дві третини циклуперетворювач не приймає вхідний сигнал. Це погіршує помехоподавляющиевластивості інтегруючого АЦП. По-третє, АЦП багатотактного інтегрування повиненбути забезпечений досить великою кількістю зовнішніх резисторів та конденсаторів звисокоякісним діелектриком, що значно збільшує місце, займанеперетворювачем на платі і, як наслідок, підсилює вплив перешкод.
Основні вузли АЦП - цесігма-дельта модулятор та цифровий фільтр. Схема n-розрядного сігма-дельтамодулятора першого порядку наведена на рис. 14. Робота цієї схеми заснована навідніманні з вхідного сигналу U вх (t) величини сигналу на виході ЦАП,отриманої на попередньому такті роботи схеми. Отримана різниця інтегрується,а потім перетвориться в код паралельним АЦП невисокої розрядності.Послідовність кодів надходить на цифровий фільтр нижніх частот. Найбільш широко у складіІМС використовуються однобітні сигма-дельта модулятори, в яких в якості АЦПвикористовується компаратор, а в якості ЦАП - аналоговий комутатор (рис. 15).Принцип дії пояснений в табл. 2 на прикладі перетворення вхідного сигналу,рівного 0,6 В, при U оп = 1 В. Нехай постійна часу інтеграціїінтегратора чисельно дорівнює періоду тактових імпульсів. У нульовому періодівихідна напруга інтегратора скидається в нуль. На виході ЦАП такожвстановлюється нульова напруга. Потім схема проходить через показану втабл. 9 послідовність станів. Таблиця 2 U вх = 0,6В U вх = 0В N тактуU пЃ“ ,В U і ,В U до ,біт U ЦАП ,В N тактуU пЃ“ ,В U і ,В U до ,біт U ЦАП ,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 -1У тактові періоди 2 і 7стану системи ідентичні, так як при незмінному вхідному сигналі U вх = 0,6В цикл роботи займає п'ять тактових періодів. Усереднення вихідного сигналу ЦАПза цикл дійсно дає величину напруги 0,6 В: (1-1 +1 +1 +1)/5 = 0,6. Для формуваннявихідного коду такого перетворювача необхідно якимось чином перетворитипослідовність біт на виході компаратора у вигляді унітарного коду упослідовний або паралельний двійковий позиційний код. У найпростішому випадкуце можна зробити за допомогою двійкового лічильника. Візьмемо в нашому прикладі4-розрядний лічильник. Підрахунок біт на виході компаратора за 16-ти тактний циклдає число 13. Нескладно побачити, що при U вх = 1 В на виходікомпаратора завжди буде одиниця, що дає за цикл число 16, тобто переповненнялічильника. Навпаки, при U вх = -1 В на виході компаратора завжди буденуль, що дає рівне нулю вміст лічильника в кінці циклу. У разі, якщо U вх = 0то, як це видно з табл. 2, результат рахунки за цикл складе 8 10 або 1000 2 . Це означає, що вихідне число АЦП представляється взміщеному коді. У розглянутому прикладі верхня межа повної шкали складе1111 2 або +7 10 , а нижня - 0000 2 або -8 10 .При U вх = 0,6 В, як це видно з лівої половини табл. 2, вмістлічильника складе 1310 у зміщеному коді, що відповідає +5. Враховуючи, що +8відповідає U вх = 1 В, знайдемо 5 * 1/8 = 0,625> 0,6 В. При використаннідвійкового лічильника як перетворювач потоку бітів, що надходять звиходу компаратора, необхідно виділяти фіксований цикл перетворення,тривалість якого дорівнює добутку K рах f такт . Післяйого закінчення повинно проводитися зчитування результату, наприклад, за допомогоюрегістра-засувки і обнулення лічильника. У цьому випадку з поглядупротизавадних властивостей сігма-дельта АЦП близькі до АЦП багатотактногоінтегрування. Більш ефективно з цієї точки зору застосування в сігма-дельтаАЦП цифрових фільтрів з кінцевою тривалістю перехідних процесів. У сігма-дельта АЦП зазвичайзастосовуються цифрові фільтри з амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) виду(Sinx/x) 3 . Передавальна функція такого фільтру в z-областівизначається виразом де М - ціле число,яке задається програмно і дорівнює відношенню тактової частоти модулятора дочастоті відліків фільтру. (Частота відліків - це частота, з якою оновлюютьсядані). Наприклад, для АЦП AD7714 це число може прийматизначення від 19 до 4000. У частотній області модуль передаточної функції фільтра(13) На рис. 16 наведено графік амплітудно-частотної характеристики цифровогофільтра, побудованої згідно виразу (13) при f такт = 38,4 кГц іМ = 192, що дає значення частоти відліків, що збігається з першої частотоюрежекции фільтра АЦП, f отсч = 50 Гц. Порівняння цієї АЧХ з АЧХкоефіцієнта придушення завад АЦП із двократним інтегруванням (див. рис. 12)показує значно кращі помехоподавляющие властивості сігма-дельта АЦП. У той же час застосуванняцифрового фільтра нижніх частот у складі сігма-дельта АЦП замість лічильникавикликає перехідні процеси при зміні вхідної напруги. Часвстановлення цифрових фільтрів з кінцевою тривалістю перехідних процесів,як випливає з їхньої назви, звичайно і становить для фільтра виду (sinx/x) 3 чотири періоди частоти відліків, а при початковому обнуленні фільтра - триперіоду. Це знижує швидкодію систем збору даних на основі сігма-дельтаАЦП. Тому випускаються ІМС AD7730 і AD7731, оснащені складним цифровимфільтром, що забезпечують перемикання каналів з часом установлення 1 мс призбереженні ефективної розрядності не нижче 13 біт (так званий Fast-Stepрежим). Зазвичай цифровий фільтр виготовляється на тому ж кристалі, що імодулятор, але іноді вони випускаються у вигляді двох окремих ІМС (наприклад,AD1555 - модулятор
Порівняння сігма-дельтаАЦП з АЦП багатотактного інтегрування показує значні перевагиперших. Перш за все, лінійність характеристики перетворення сігма-дельта АЦПвище, ніж у АЦП багатотактного інтегрування ...рівної вартості. Це пояснюєтьсятим, що інтегратор сігма-дельта АЦП працює в значно більш вузькомудинамічному діапазоні, і нелінійність перехідної характеристики підсилювача, наякому побудований інтегратор, позначається значно менше. Ємністьконденсатора інтегратора у сігма-дельта АЦП значно менше (десяткипікофарад), так що цей конденсатор може бути виготовлений прямо на кристаліІМС. Як наслідок, сігма-дельта АЦП практично не має зовнішніх елементів,що істотно скорочує площу, займану ним на платі, та знижує рівеньшумів. У результаті, наприклад, 24-розрядний сігма-дельта АЦП AD7714виготовляється у вигляді однокрісталльной ІМС в 24-вивідному корпусі, споживає 3мВт потужності і коштує приблизно 14 доларів США, а 18-розрядний АЦПвосьмітактного інтегрування HI-7159 споживає 75 мВт і коштує близько 30доларів. До того ж сігма-дельта АЦП починає давати правильний результат через3-4 відліку після стрибкоподібної зміни вхідного сигналу, що при величини першогочастоти режекции, рівної 50 Гц, і 20-розрядному дозволі становить 60-80 мс,а мінімальний час перетворення АЦП HI-7159 для 18-розрядного дозволу татієї ж частоти режекции складає 140 мс. В даний час ряд провідних поаналого-цифровим ІМС фірм, такі як Analog Devices і Burr-Brown, припиниливиробництво АЦП багатотактного інтегрування, повністю перейшовши в областіАЦ-перетворення високого дозволу на сигма-дельта АЦП. Сігма-дельта АЦП високогодозволу мають розвинену цифрову частину, що включає мікроконтролер. Цедозволяє реалізувати режими автоматичної установки нуля та самокалібруванняповної шкали, зберігати калібрувальні коефіцієнти і передавати їх по запитузовнішнього процесора. 4.4 Перетворювачінапруга-частота На базі перетворювачівнапруга-частота (ПНЧ) можуть бути побудовані інтегруючі АЦП, що забезпечуютьвідносно високу точність перетворення при низької вартості. Існуєкілька видів ПНЧ. Найбільше застосування знайшли ПНЧ із заданою тривалістю вихідногоімпульсу. Структурна схема такого ПНЧ наведена на рис. 17. За цією схемоюпобудована ІМС VFC-32 (вітчизняний аналог - 1108ПП1).
Імпульси струму I оп врівноважують струм, що викликається вхідною напругою U вх . Всталому режимі Звідси випливає
Таким чином, посуті ПНЧ перетворить вхідну напругу в унітарний код. Для йогоперетворення в двійковий позиційний можна використовувати лічильник. Схемаінтегруючого АЦП на базі ПНЧ наведена на рис. 18. Двійковий лічильникпідраховує кількість імпульсів, що надійшли від ПНЧ за період Т отсч = 1/f отсч ,задається відліковими імпульсами, якими вміст лічильника заноситься ввихідний регістр-засувку. Слідом за цим відбувається обнулення лічильника. Числоімпульсів n, підрахованих лічильником за час Т отсч , Тут U вх.ср -середнє значення вхідної напруги за весь період Т отсч . Можна помітно підвищити 5.
ПохибкаПриклад25.Монотонністькодів. Температурна Виникненнячасу.я одних АЦП, наприклад, послідовного рахунку або багатотактногоінтегрування, ця величина є змінною, залежною від значеннявхідного сигналу, для інших, таких як паралельні чипослідовно-паралельні АЦП, а також АЦП послідовного наближення,приблизно постійною. При роботі АЦП без ПВХ час перетворення єапертурним часом. Час вибірки(Стробування) - час, протягом якого відбувається утворення одноговибіркового значення. При роботі без ПВХ одно часу перетворення АЦП. 5.3 Шуми АЦП
Вхідна напруга здіапазону + 5 В було встановлено по можливості ближче до центру коду. Як видноз гістограми, усі результати перетворень розподілені на шість кодів.Середньоквадратичне значення шуму, відповідне цій гістограмі, дорівнює 120мкВ. Список використаної літератури 1. Балакать В.Г Інтегральні схеми аналого-цифровихперетворювачів/балакали В.Г, Крюк І.П., Лук'янов Л.М.; Під ред.Лукьянова Л.М..-М: Енергія, 2008.-257с.: Іл. .-Бібліогрс.251-256. 3. Гельман М.М. Аналого-цифрові перетворювачі дляінформаційно-вимірювальних систем/Гельман М.М. .-М.: Вид-во стандартів, 2009.-317с. 4. Бірюков С.А. Цифрові пристрої на МОП-інтегральнихмікросхемах/Бірюков С.А. .-М.: Радіо і зв'язок, 2007.-129с.: Іл. . - (Масоварадіобібліотека; Вип.1132). 5. Букрєєв І.М. Мікроелектронні схеми цифрових пристроїв/ Букреєв І.М. , Горячев В.І., Мансуров Б.М. .-3-е изд., Перераб. і доп. .-М. :Радіо і зв'язок, 2009.-416с. 6. Гольденберг Л.М. Цифрові пристрої на інтегральнихсхемах в техніці зв'язку/Гольденберг Л.М., Бутільскій Л.М., Поляк М.Н. .-М: Зв'язок,2009.-232с. 7. Шило В.Л. Популярні цифрові мікросхеми: Довідник/ШилоВ.Л. .-М.: Металургія, 2008.-349с. . - (Масова радіобібліотека; Вип.1111). 8. Цифрові та аналогові системи передачі: Підручник для вузів/ІвановВ.І., Гордієнко В.М., Попов Г.Н. та ін; Під ред.Іванова В.І. .-М.: Радіо ізв'язок, 2007.-232с.: іл. .-Бібліогр.: С.229-230.-ISBN 5-256-01226-6. 9. Букрєєв І.М. Мікроелектронні схеми цифрових пристроїв/ Букреєв І.М., Мансуров Б.М., Горячев В.І. .-2-ге вид., Перераб.і доп. .-М.:Сов.радіо, 2008.-368с.: Іл. .-Бібліогр.: С.364-366. 10. Гольденберг Л.М. Імпульсні і цифрові пристрої:Підручник для вузів/Гольденберг Л.М. .-М.: Зв'язок, 2009.-495с.: Іл..-Бібліогр.: С.494-495. |