7. Выбор и обоснование принципа работы ацп.
Аналого-цифровые преобразователи преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной сигнал с переменным опорным сигналом, используя внутренний ЦАП .
Существует три ведущих способа преобразования, основанных на принципе измерения временного интервала: преобразование напряжения в частоту, метод с пилообразным напряжением и метод линейного интегрирования . На методе сравнения основываются схемы последовательного приближения, параллельные и модифицированные параллельные схемы .
В основном находят применение 2 основных типа АЦП : двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению.
Интегрирующие АЦП.
Интегрирующие АЦП использует линейно нарастающее пилообразное напряжение для преобразования Uвх во временной интервал.
Рис. 4. Структурная схема однотактного интегрирующего АЦП.
Этот временной интервал затем используется для выделения с помощью компаратора А2 требуемой части выходных импульсов тактового генератора с помощью счетчика. Число тактовых импульсов, пропущенных компаратором в счетчик, пропорционально Uвх. На рисунке это число импульсов преобразовано в параллельное цифровое слово. Для возврата интегратора на А1 в исходное состояние используется переключатель S1. Напряжение Uоп на входе интегратора определяет наклон пилообразного выходного напряжения А1. Нелинейность этого напряжения является основным источником погрешности преобразования. Логическое устройство формирует необходимые импульсы для управления работой переключателя и счетчика, и нарушение требуемых временных соотношений для управления интегратором и счетчиком является вторым источником погрешностей АЦП этого типа. Если пилообразное напряжение начнет увеличиваться, например, с опозданием относительно пуска счетчика, то будет получен результат преобразования, соответствующий большему значению Uвх. Если же интегратор будет включен раньше, чем счетчик, то пилообразное напряжение на выходе А2 достигнет уровня Uоп при меньшем, чем надо, числе импульсов, зафиксированном счетчиком. Таким образом, и динамические параметры компаратора А2 и логического устройства, и ошибки смещения, и нелинейности пилообразного напряжения ограничивают достижимую погрешность однотактного интегрирующего АЦП.
Ацп последовательного приближения.
Рис. 5. Структурная схема АЦП последовательного приближения.
Метод последовательного приближения – наиболее распространенный способ реализации функции аналого-цифрового преобразования в преобразователях со средним и высоким быстродействием. В структуру АЦП последовательного приближения также входит ЦАП. Однако в отличие от АЦП с динамической компенсацией в АЦП последовательного приближения выходной сигнал ЦАП нарастает до уровня входного сигнала точно за n тактов (для n – разрядного преобразователя). В результате процесс преобразования занимает гораздо меньше времени, и, кроме того, время преобразования не зависит от уровня входного сигнала. Данный метод основан на аппроксимации входного сигнала двоичным кодом и последующей проверке правильности этой аппроксимации для каждого разряда кода, пока не достигается наилучшее приближение к величине входного сигнала. На каждом этапе этого процесса двоичное представление текущего приближения хранится в так называемом регистре последовательного приближения (РПП)
На рисунке 5 показана базовая функциональная схема 3-разрядного АЦП последовательного приближения. Преобразование всегда начинается с установки единичного значения СЗР в РПП. Это соответствует первоначальной оценке величины входного сигнала половиной величины полного диапазона (полной шкалы). Компаратор сравнивает выходной сигнал ЦАП с входным напряжением и выдает контроллеру команду на сброс СЗР, если эта первоначальная оценка превышает величину входного сигнала; в противном случае остается установленное значение СЗР. В следующий (по старшинству) разряд, и снова, исходя из уровня входного сигнала, компаратор «решает», сбрасывать или оставлять установку этого разряда. Преобразование продолжается аналогичным образом, пока не будет проверен последний МЗР. В этот момент содержимое РПП и выходного регистра является наилучшим двоичным приближением входного сигнала – это и есть выходной сигнал цифровой сигнал (слово) АЦП. Поскольку в процессе последовательного приближения установка значений разрядов выполняется в последовательном порядке, то в АЦП этого типа исключительно просто обеспечиваться последовательный вывод данных.
Проанализируем основные требования, предъявляемыми к АЦП:
- скорость преобразования;
- точность преобразования;
- гальваническая развязка;
- помехоустойчивость;
- цена.
В задании сказано, что время реакции датчика на изменение температуры – более 10 секунд, значит необходимости в высокоскоростном преобразователе нет. Разрешающая способность АЦП была рассчитана в 5 пункте и составила 14 разрядов. Возможность реализации гальванической развязки входных и выходных цепей есть почти у всех преобразователей. Двухтактный интегрирующий АЦП применяется до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре.
Под все эти требования подходят как АЦП последовательного приближения, так и интегрирующие АЦП. А вот что касается помехоустойчивости и цены, то тут преимущество у интегрирующих АЦП.
Значит, исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что в данном случае подходит интегрирующий АЦП.