Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 24
Аналогово-цифровые преобразователи
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства для автоматического преобразования аналоговых величин в числовые значения кодов. Обычно входной величиной является напряжение, это объясняется тем, что промышленность выпускает интегральные схемы АЦП для преобразования напряжений. Практически все современные АЦП ориентированы на совместную работу с микропроцессорными системами и содержат элементы интерфейса (буферные регистры, дешифраторы адреса) и вспомогательные узлы, улучшающие метрологические характеристики и расширяющие функциональные возможности. Это буферные усилители с программируемым коэффициентом усиления, схемы автокалибровки и автоподстройки, ОЗУ, ПЗУ, цифровые фильтры.
Напряжение характеризуется мгновенным значением, но часто информативным является его среднее значение за определенный интервал времени. АЦП подразделяют на две группы: АЦП мгновенных значений и АЦП средних значений напряжений. При определении средних значений напряжений применяется операция интегрирования, поэтому такие АЦП называют интегрирующими.
Процедура АЦП преобразования представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения в последовательность чисел , где n=1,2,3…отсчеты, отнесенные к некоторым фиксированным моментам времени.
В процессе АЦП преобразования производятся три операции: дискретизация, квантование и кодирование.
Дискретизация – это преобразование непрерывной функции в (рисунок 24.1.а) в последовательность ее отсчетов в определенные моменты времени (рисунок 24.1.b). Дискретизация бывает равномерной и неравномерной. При равномерной - период дискретизации остается постоянным, при неравномерной - меняется в зависимости от скорости изменения входного сигнала. Такая дискретизация называется адаптивной.
Квантование – это замена мгновенных значений напряжений некоторыми определенными уровнями, которые называют уровнями квантования (рисунок 24.1.c). Уровни квантования содержат целое число квантов. По существу это округление непрерывной величины до целого значения квантов. Ошибка квантования составляет половину кванта.
Кодирование – это преобразование дискретных квантованных величин в последовательность цифр, в код (рисунок 24.1.d). В АЦП используются четыре основных типа кода: натуральный двоичный, двоично-десятичный и код Грея.
Рисунок 24.1 - Процессы АЦП преобразования, а – непрерывный сигнал,
b – процесс дискретизации, c - процесс квантования,
d –процесс кодирования
24.1 Параметры АЦП
Современный АЦП в интегральном исполнении является сложным электронным устройством. Для описания его свойств важен ряд показателей: входное и выходное сопротивление, потребляемая мощность, уровни входных и выходных сигналов, напряжение и полярность источников питания, наличие источников опорного напряжения, рабочий диапазон температур и т.д.
При выборе АЦП особое внимание обращают на метрологические показатели. Их разделяют на статические и динамические параметры.
24.1.1 Статические параметры АЦП
При последовательном возрастании входного аналогового напряжения от нуля до величины , соответствующей полной шкале АЦП, выходной цифровой сигнал образует ступенчатую линию. Эту зависимость по аналогии с ЦАП называют характеристикой преобразования АЦП (рисунок 24.2).
Рисунок 24.2 - Характеристика преобразования АЦП
Максимальному напряжению на входе, которое называется напряжением полной шкалы , соответствует максимальное значение выходного кода . Переход от одного значения кода к соседнему происходит в момент равенства напряжения целому числу квантов . Номинальное значение кванта определяется как
, (24.1)
где N – разрядность двоичного кода.
Это значение называют весом младшего значащего разряда (МЗР).
Рассмотрим основные параметры АЦП.
Разрешающая способность – это величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП.
(24.2)
Разрешающая способность выражается в процентах и характеризует потенциальные точностные возможности АЦП.
Реальная характеристика преобразования может отличаться от идеальной размерами, формой ступенек и расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует ряд параметров, которые называются погрешностями преобразования.
Рисунок 24.3 - К определению погрешностей АЦП
Интегральная нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования (линия 2 на рисунке 24.3) от идеальной (линия 1 на рисунке 24.3) обычно определяется в относительных единицах, в справочниках часто приводится в единицах МЗР. Из рисунка 24.3 можно определить интегральную погрешность нелинейности как наибольшее отклонение линии 2 от идеальной характеристики, отнесенное к напряжению полной шкалы
. (24.3)
Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение отклонения реальной характеристики преобразования при переходе от одного значения кода к смежному значению. Другими словами,это разность приращений входной величины в двух смежных значениях кода, отнесенная к напряжению полной шкалы.
. (24.4)
Погрешность смещения нуля определяется входным напряжением при входном коде, соответствующем нулевому значению. Эта погрешность является аддитивной и соответствует сдвигу идеальной характеристики на величину (линия 3, на рисунке 24.3). Значение погрешности дается в милливольтах или в единицах МЗР, а иногда в относительных единицах
. (24.5)
Погрешность полной шкалы относительная разность между реальным и идеальным значением предела шкалы преобразования при отсутствии напряжения смещения нуля. Эта погрешность является мультипликативной и объясняется изменением угла наклона характеристики преобразования (линия 4, на рисунке 24.3)
. (24.6)
Температурная нестабильность АЦП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.
Большинство погрешностей в современных АЦП компенсируются. Для этого проводится автокалибровка и балансировка, что исключает мультипликативную погрешность полной шкалы и аддитивную погрешность смещения нуля. Погрешности нелинейности преобразования не могут быть устранены такими средствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.
24.1.2 Динамические параметры АЦП
Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.
Максимальная частота преобразования – это наибольшая частота, при которой параметры АЦП не выходят за заданные пределы.
Время преобразования - это время, отсчитываемое от начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке.
Апертурное время – это время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением кода и временем, к которому оно относится. Апертурное время в первом приближении можно считать временем преобразования.
24.2 Принципы построения АЦП
Все типы применяемых АЦП можно разделить по признаку измеряемого значения напряжения на две большие группы: АЦП мгновенных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения (интегрирующие АЦП),
АЦП мгновенных значений напряжения можно разделить на параллельные и последовательные, последние разделяются на АЦП последовательного счета и АЦП последовательного приближения.
24.2.1 Параллельные АЦП
Структурная схема параллельного АЦП приведена на рисунке 24.4, она состоит из линейки резисторов, источника эталонного напряжения и линейки компараторов. Резисторы образуют многоуровневый делитель, напряжения на выходе которого растут от до и задают пороговые уровни компараторов. При подаче на инвертирующие входы компараторов входного сигнала на выходе компараторов получим квантованный сигнал в унитарном коде, который с помощью приоритетного шифратора преобразуется в двоичный код или в двоично-десятичный.
Рисунок 24.4 - Структурная схема параллельного АЦП
Дискретизация происходит за счет подачи тактирующего сигнала на вход С, с приходом которого код появляется на выходе дешифратора. Время преобразования составляет период следования тактирующих импульсов. Тактирующие преобразователи являются самыми быстрыми и могут работать с частотой дискретизации свыше 100 МГц. Максимальная частота ограничена задержкой в срабатывании компараторов. Основной недостаток - большое количество резисторов и компараторов. Так, для реализации 12 – разрядного АЦП их потребуется по 4096 штук, это сказывается на геометрических размерах микросхемы. Кроме того, потребляемая ими мощность превышает несколько милливатт, что ограничивает их применение в аппаратуре с автономным питанием.
24.2.2 Последовательные АЦП
АЦП последовательного счета, структурная схема рисунок 24.5, содержит ЦАП в цепи обратной связи. Напряжение с выхода ЦАП сравнивается с преобразуемым входным напряжением с помощью компаратора. Работа схемы начинается с приходом пускового импульса.
Рисунок 24.5 - Структурная схема АЦП последовательного счета
Импульсы от генератора тактовых импульсов (ГТИ) поступают на вход реверсивного счетчика. Если , то схема управления вырабатывает сигнал на суммирование входящих импульсов. В результате последовательного увеличения выходного кода D счетчика, который управляет работой ЦАП, происходит последовательное ступенчатое увеличение напряжения ЦАП до тех пор, пока не выполнится условие , после чего схема управления установит сигнал на прекращение счета. Процесс преобразования показан на диаграмме работы АЦП последовательного счета (рисунок 24.6).
Рисунок 24.6 - Диаграмма работы АЦП последовательного счета
Из диаграммы видно, что время преобразования, определяемое количеством тактовых импульсов, зависит от уровня входного сигнала. При числе двоичных разрядов счетчика N и периоде генератора тактовых импульсов Т максимальное время преобразования составит
. (24.7)
Например, N=8, T=1мкс, то , такое низкое быстродействие является существенным недостатком.
АЦП последовательного приближения (рисунок 24.7) также построен по принципу компенсации входного напряжения за счет напряжения, создаваемого ЦАП.
Рисунок 24.7 - Структурная схема АЦП последовательного приближения
Код, подаваемый на ЦАП, формируется в параллельном регистре под управлением специальной схемы. Алгоритм работы иллюстрирует диаграмма работы АЦП последовательного приближения (рисунок 24.8).
Рисунок 24.8 - Диаграмма работы АЦП последовательного приближения
По сигналу «Пуск» генератор тактовых импульсов запускает схему управления, которая заносит в старший разряд регистра «1», что соответствует половине максимального значения кода. На выходе ЦАП формируется напряжение =/2. Это напряжение сравнивается с помощью компаратора с входным напряжением . Пусть >, тогда схема управления заносит «1» в следующим за старшим разряд, что соответствует увеличению кода 1/4. На выходе ЦАП формируется напряжение =3/4. В данном случае < и схема управления по сигналу компаратора сдвигает «1» вправо в меньший значащий разряд, что соответствует уменьшению кода в регистре на 1/8. На выходе ЦАП формируется напряжение =3/8. Таким образом, реализуется алгоритм половинного деления, до тех пор, пока напряжение =. Число шагов для достижения равенства, а, следовательно, и время преобразования зависит от числа тактов. Наибольшее число тактов будет в случае =, оно равно разрядности двоичного кода N. Время преобразования в этом случае равно
. (24.8)
Время преобразования зависит от значения входного напряжения, т.е. является переменной величиной, что приводит к изменению апертурного времени.
24.2.3 Интегрирующие АЦП
Интегрирующие преобразователи получили широкое распространение благодаря простоте реализации, высокой разрешающей способности и возможности существенно снизить влияние периодических помех. Однако они могут использоваться только для преобразования низкочастотных сигналов ,т.к.обладают низким быстродействием. Всегда существует противоречие между быстродействием и разрешающей способностью - чем выше разрешающая способность, тем меньше быстродействие.
В интегрирующих АЦП осуществляется промежуточное преобразование в параметр, который легко представить в цифровом виде – это частота или временной интервал, с последующим преобразованием в код. В многообразии этих преобразователей можно выделить два, которые нашли дальнейшее развитие и широкое распространение в виде интегральных схем. Это АЦП двухтактного интегрирования (с промежуточным преобразованием в интервал) и АЦП с импульсной обратной связью (с промежуточным преобразованием в частоту).
АЦП двухтактного интегрирования (рисунок 24.9) состоит из буферного усилителя на ОУ1, интегратора на ОУ2, компаратора на ОУ3, схемы управления, генератора тактовых импульсов ГТИ и элементов, реализующих преобразования временного интервала в код: логического элемента «И», счетчика и регистра.
Рисунок 24.9 - Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования
Работу преобразователя подразделяют на три такта. В первом такте усиленное входное напряжение интегрируется, т.е. находится среднее значение напряжения за интервал . Во втором такте производится интегрирование эталонного напряжения , в третьем такте - коррекция напряжения смещения нуля. Диаграмма работы АЦП двухтактного интегрирования показана на рисунке 24.10.
Рисунок 24.10 - Диаграмма работы АЦП двухтактного интегрирования
В первом такте течение временного интервала , который задан с высокой точностью, ключи , , находятся в исходном состоянии. Напряжение поступает на буферный усилитель и после усиления интегрируется, напряжение на выходе интегратора растет по линейному закону
, (24.9)
к концу интервала будет равно
, (24.10)
где k – коэффициент усиления буферного усилителя,
- постоянная времени интегратора.
Во втором такте ключ переключается и на вход поступает эталонное напряжение , которое имеет полярность противоположную входному напряжению. Напряжение на выходе интегратора начинает линейно убывать по закону
. (24.11)
В некоторый момент , который фиксируется компаратором напряжения , из последнего равенства следует
=0 (24.12)
или
(24.13)
Таким образом, интервал пропорционален среднему значению входного напряжения , заполнение интервала счетными импульсами, поступающими от генератора ГТИ, позволяет найти числовой код
. (24.14)
На третьем этапе производится коррекция напряжения смещения. Для этого ключи, переводятся в нижнее положение, вход буферного усилителя замыкается на общую шину, конденсатор С заряжается через замкнутый ключ до напряжения смещения, которое после размыкания ключей вычитается из напряжения .
Важно отметить, что точность преобразования зависит только от стабильности источника эталонного напряжения , т.к. интервал формируется в схеме управления генератором ГТИ и изменение его частоты не влияет на значение кода. К достоинствам интегрирующих АЦП следует отнести их высокую помехозащищенность. Если на входной сигнал наложена гармоническая помеха, то при равенстве периода помехи интервалу среднее значение помехи к концу интервала будет равно нулю.
АЦП двухтактного интегрирования изготавливаются в виде полупроводниковых микросхем, в основном, в двух модификациях:
- схемы с последовательным или с параллельным интерфейсом для сопряжения с микропроцессорами (18 двоичных разрядов, МАХ132),
- схемы с дешифраторами для управления семисегментными индикаторами применяются в цифровых мультиметрах (5 десятичных разрядов, 572ПВ).
Из АЦП с промежуточным преобразованием в частоту особого внимания заслуживают преобразователи с импульсной обратной связью (рисунок 24.11).
АЦП с импульсной обратной связью состоит из буферного усилителя на ОУ1, интегратора на ОУ2, компаратора на ОУ3, ждущего генератора импульсов постоянной вольт-секундной площади , и элементов реализующих преобразования частоты в код: генератора импульсов постоянного периода , логического элемента «И», счетчика и регистра. Основным звеном в этой схеме является преобразователь напряжения в частоту следования импульсов (обведен штриховой линией).
Рисунок 24.11 - Структурная схема АЦП с импульсной обратной связью
Работа преобразователя иллюстрируется временной диаграммой (рисунок 24.12). Заряд конденсатора интегратора осуществляется входным напряжением , а разряд производится импульсом с постоянной вольт-секундной площадью. Если входное напряжение положительно, то импульсы генератора должны быть отрицательными.
Рисунок 24.12 - Диаграмма работы АЦП с импульсной обратной
связью
Напряжение на выходе интегратора линейно растет до тех пор, пока не сравняется с эталонным напряжением на прямом входе компаратора (ОУ3). Компаратор переключается и выдает сигнал на запуск генератора постоянной вольт-секундной площади. Под действием этого напряжения амплитудой и длительностью напряжение на выходе интегратора уменьшается, далее процесс повторяется. В результате компаратор генерирует последовательность коротких импульсов, частота следования которых пропорциональна входному напряжению . Действительно, если учесть, что напряжения на интеграторе в процессе заряда и разряда конденсатора изменяются на одну и ту же величину ( при =const) получим
, (24.15)
далее
, (24.16)
Измерение частоты производится стандартным образом. С помощью генератора формируется интервал , который затем заполняется импульсами с частотой , в результате на выходе счетчика и регистра формируется выходной код
. (24.17)
В этой схеме функцию интегратора выполняет счетчик, а интервал интегрирования выбирают равным периоду помехи, что позволяет значительно повысить помехозащищенность преобразователя.
В последнее время в связи с широким применением АЦП в различных системах сбора и обработки информации появились новые типы АЦП. К ним относятся АЦП с сигма-дельта модулятором. По сути это название отражает два процесса интегрирования в течение малого времени и сложения результатов. Выходным сигналом такого модулятора является частота следования импульсов. Структурная схема сигма-дельта модулятора повторяет часть АЦП с импульсной обратной связью, обведенную штриховой линией.
Рисунок 24.13 - Структурная схема системы сбора данных
Современные АЦП превращаются в системы сбора данных. На рисунке 24.13 изображена структурная схема АЦП с сигма-дельта модулятором. Основу составляет Σ-Δ модулятор с цифровым фильтром. Для подключения к нескольким источникам аналоговых сигналов используется аналоговый коммутатор. Измерительный усилитель меняет свой коэффициент усиления по команде управляющей микропроцессорной системы. Система управления загружает с главного процессора блок рабочих команд. Эти команды содержат сведения какие режимы использовать, какие из входных каналов образуют дифференциальные пары, подключают и отключают источники опорного напряжения (ИОН) и тока (ИОТ). Такого типа АЦП входят в состав микроконтроллеров и составляют основу систем сбора и обработки информации.