5. Основные виды современных ацп, структуры и используемые алгоритмы.

.

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала единовременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логическую схему, которая выдаёт цифровой код, зависящий от того, сколько и какие компараторы показали превышение. Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как имеют большую и дорогую схему. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов.

Многоступенчатые АЦП

В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве. 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 4-разрядного 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 АЦЩ. Как следствие квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму, представляет собой четыре младших разряда выходного кода.

Конвейерные АЦП

Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП. Роль аналогового

элемента задержки выполняет устройство , а цифрового — четыре D-триггера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один период тактового сигнала CLK. Сигналы выборки, формируемые из тактового сигнала, поступают на УВХ1 и УВХ2 в разные моменты времени. 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 CLK, но частота появления новых значений выходного кода равна частоте тактового сигнала.

Многотактные последовательно-параллельные АЦП

Преобразователь состоит из 4-разр параллельного АЦП, квант h которого определяется величиной Uоп, 4-разрядного ЦАП и устройства управления.

Если макс входной сигнал равен 2.56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования hx = 0.16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает слово, полученное от АЦП в первом такте, в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 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.

АЦП последовательного счета

На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой — сигнал обратной связи с ЦАП. В исходном состоянии выход компаратора равен ЛОГ.1. Работа АЦП 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 VFB. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока в некоторый момент времени tcon напряжение обратной связи не сравняется с входным напряжением , компаратор переключится, в состояние лог.О и запретит поступление тактовых импульсов на счетчик. Интервал от момента запуска до момента tcon называется временем преобразования. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению по окончании преобразования, считывается с выхода счетчика.

Последовательного приближения (с поразрядным уравновешиванием)

Он состоит 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 4-разрядного ЦАП это 10002= 8₁₀). Благодаря этому, напряжение KFB на выходе ЦАП

где h — квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий 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 последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток 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 цифроаналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Vin 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.

АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП)

Преобразование проходит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета.

Дельта-сигма АЦП

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. 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.

Эти недостатки во многом устранены в конструкции сигма-дельта АЦП. Своим названием эти преобразователи обязаны наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции - S) и интегратора (обозначение операции - D ). 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.

Пусть входной сигнал Uвх представляет собой постоянное напряжение. В этом случае напряжение на выходе интегратора колеблется по треугольному закону вокруг нулевого уровня, который задается подключением инвертирующего входа компаратора к общей точке схемы. Выход компаратора управляет 1-разрядным ЦАП, роль которого играет комбинация D-триггера и переключателя полярности опорного напряжения. Выходное напряжение ЦАП (+Uоп, -Uоп) в качестве напряжения отрицательной обратной связи поступает на вход сумматора. Эта обратная связь обеспечивает равенство среднего значения напряжения на выходе ЦАП входному напряжению.

В самом деле, среднее напряжение ЦАП определяется плотностью «единиц» в потоке однобитных данных, поступающем с выхода компаратора. Если входной сигнал приближается к + Uоп в потоке бит увеличивается количество «единиц» и уменьшается число «нулей». Аналогично при приближении входного сигнала к -Uоп число «единиц» уменьшается, а число «нулей» возрастает.

Для формирования выходного кода такого преобразователя необходимо каким-либо образом преобразовать последовательность бит на выходе компаратора в виде унитарного кода в последовательный или параллельный двоичный позиционный код. В простейшем случае это можно сделать с помощью двоичного счетчика.

6. Основные технические характеристики ЦИУ. Характеристика преобразования, разрядность, эффективное число разрядов, шкала, цена деления (шаг квантования), точность (основная и дополнительная погрешности преобразования), быстродействие (частота дискретизации), по­мехоустойчивость, входное сопротивление (токовая погрешность).

Характеристика преобразования – зависимость выходного сигнала от входного – при последовательном возрастании значений аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП выходной цифровой сигнал образует ступенчатую кусочно-постоянную линию - ХП

Разрядность. Вх/вых код представляется обычно в виде последовательности единиц и нулей. Количество этих цифр и называется числом разрядом (1100101011 – 10 разрядов)

Шкала – диапазон всех значений вх/вых сигнала. Цена деления – разность значений величины, соотв-х двум соседним отметкам шкалы.

Шаг квантования – приращение выходного напряжения при изменении значения входного кода на ЕМР. Номинальное значение ступени квантования, представляющее собой наименьшее изменение выходной аналоговой величины, является разрешающей способностью ЦАП.

Точность – тот диапазон, в пределах которого находится погрешность измерения данным прибором при определенных условиях

Основная погрешность преобразования- погрешность измерения при н.у. , Дополнительные погрешности (функции влияния) – обусловлены отклонениями условий работы от нормальных (Например 0,2%/10⁰С). Учитывается сумма основной и дополнительной погрешности.

Быстродействие определяется мах интервалом времени, необходимым для выполнения одного полного цикла измерения или преобразования входной величины. Для ЦИУ с принудительной дискретизацией этот интервал определяется шагом дискретизации Δt, а б/д – количеством измерений в секунду, т.е. 1/ Δt

Помехоустойчивость – способность ЦИУ правильно воспроизводить значение измеряемого сигнала, несмотря на наличие помех. Правильно спроектированное ЦИУ должно быть устойчиво к влияниям внешних и внутренних помех. Численно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИУ. Оценку выполняют по отношению к аддитивным, т.е. суммирующимся с полезными сигналами, помехам.

Входное сопротивление ЦИУ характеризует мощность, отбираемую у источника измеряемого сигнала, поэтому значение его существенно для любого ЦИУ. Наиб важную роль ВС играет при измерении электрич напряжений, т.к. в этом случае определяет максимально допустимое значение ВС источника измеряемого сигнала, при кот измерение ещё выполняется с заданной для данного ЦИУ точностью

7. Помехи, их возникновение и влияние на работу ЦИУ. Основные ограничения, накладываемые на ЦИУ (ЦУОИ) внешними и внутренними влияющими факторами. Методы подавления помех общего и нормального вида в ЦИУ.

1) Импульсные – последовательность импульсов произвольной формы, амплитуды и длительности, появляющиеся в случайные моменты времени, при этом интервалы между импульсами гораздо больше длительности самих импульсов. Подавляют стробированием и усреднением.

2) Флуктуационные – непрерывный во времени случайный процесс (сетевая помеха).

Для удаления сетевой помехи используют схемы противофазной компенсации, метод многократного интегрирования, метод параллельного интегрирования, цифровую фильтрацию.

а) помехи нормального вида (поперечные), за счет не идентичности линий связи

устранение:

1) НЧ RC-фильтры, но снижается б/д. Степень подавления помех определяется АЧХ фильтра

2) Метод компенсации – создание отдельного канала для выделения помехи, которая затем с обратным знаком подается в основной канал измерения

3) Метод усреднения помехи – наиболее перспективный метод.

б) помехи общего вида (продольные). Возникают в основном из-за различия потенциалов точек заземления у источника измеряемого сигнала и ЦИУ, причем может содержать как постоянную, так и переменную составляющую.

устранение: рациональное построение и монтажом входного контура, правильный выбор точек заземления, экранирование, гальваническая развязка

• Влияние качества Uпит.

Способы питания: сетевой адаптер, батарея, солнечные батареи, топливные и радиоизотопные элементы.

При работе устройства от сети в сигналах могут присутствовать высшие гармоники, от которых прибор может сработать. Для подавления используют сетевые выпрямители со сглаживанием, стабилизатор трехвыводной, сетевые фильтры, для трансформаторов – экран. Шаг квантования должен быть больше пульсаций

ЦИУ с разрядностью выше 12 рекомендуется питать только от батареи или используют методы преобразования, не чувствительные к Uпульс источника питания ( интегрирующие, дельта-сигма)

• Влияние внешних наводок

Любой вывод МС или какого-то преобразовательного устройства, дискретных R, L,C предст собой антенну, на которую может наводиться дост большое Uпомехи. Все зависит от мощности источника излучения, f диапазона, длины выводов и наличия доп паразитных параметров (С, L). Используются специальные виды экранирования:

- магнитного (без отверстий, высокая мю, многослойные)

- электромагнитного (тонкие сетчатые или ячеистые, длина волны во много раз больше ячейки)

Уровни аналоговых сигналов, которые должны воспринимать датчики, м.б. мизерными. Поэтому иногда электронные части приборов разделяют и организуют для них разные аналоговые земли.

Цифровая и аналоговая земля могут быть объединены только для 8разр, если выше – разделение.

• Ограничение со стороны тактовых импульсов

Для обеспечения качественной синхронизации в ЦИУ обяз есть ГТЧ, как правило, кварцованный. Если fгенер-ии низкая (<100кГц), требования к стабильности невысокие. Если f выше, то качество ГТИ становится принципиальным.

Стабилизация частоты опорного ГТИ осущ след осн способами:

1) использованием аналоговых генераторов со спец методами стабилизации f (термостатирование, исп высокодобротны LC-контуров, исп кварцев и т.д.)

Аналоговые генераторы принципиально не имеют фазовой нестабильности

2) чаще используют цифровые кварцованные. Ширина импульсов может меняться, т.к. (2,4-4,2)В фазовая нестабильность. Если исп сдвинутый импульс ФН возрастает с ростом f. К стабильности опорных импульсов предъявляют оч высокие требования. Необходимо использовать генераторы с малой ФН, н-р, фирм analog device, морион.