4.7.2 Сигма-дельта ацп

АЦП багатотактового інтегрування мають ряд недоліків:

1. Нелінійність перехідної статичної характеристики операційного підсилювача, на якому виконують інтегратор, суттєво впливає на інтегральній нелінійності характеристики перетворення АЦП високої розрізнювальної здатності. Для зменшення впливу цього фактору АЦП виконують багатотактовим. Наприклад, 13-разрядный AD7550 виконує перетворення в чотири такти.

2. Інтегрування вхідного сигналу займає в циклі перетворення тільки приблизно третю частину. Дві третини циклу перетворювач не приймає вхідний сигнал. Це погіршує завадостійкі властивості інтегрувального АЦП.

3. Схема АЦП багатотактового інтегрування повинна включати досить багато зовнішніх резисторів і конденсаторів з високоякісним діелектриком, що значно збільшує площу, що займає перетворювач на платі і, як наслідок, підсилює вплив завад.

Ці недоліки в переважній більшості усунені в конструкції сигма-дельта АЦП. Своєю назвою ці перетворювачі зобов’язані наявністю в них двох блоків: суматора (позначення операції - ) і інтегратора (позначення операції - ). Один із принципів, закладених в такого роду перетворювачів, що дозволяє зменшити похибку, яка вноситься шумами, і відповідно, збільшити розрізнювальну здатність - це усереднення результатів вимірювання на більшому інтервалі часу.

О

Рисунок 4.39

сновні вузли АЦП - це сигма-дельта модулятор і цифровий фільтр. Схема n-розрядного сигма-дельта модулятора першого порядку приведена на рис. 4.39. Робота цієї схеми основана на відніманні із вхідного сигналу U_вх(t) величини сигналу на виході ЦАП, що отримана на попередньому такті роботи схеми. Отримана різниця інтегрується, а потім перетворюється в код паралельним АЦП невисокої розрядності. Послідовність кодів поступає на цифровий фільтр нижніх частот.

Порядок модулятора визначається кількістю інтеграторів і суматорів в його схемі. Сигма-дельта модулятори N-го порядку мають N суматорів і N інтеграторів і забезпечують більше співвідношення сигнал/шум при тій же частоті відліків, чим модулятори першого порядку. Прикладами сигма-дельта модуляторів високого порядку є одноканальний AD7720 сьомого порядку і двоканальний ADMOD79 п’ятого порядку.

Н

Рисунок 4.40

айбільш широко використовуються однобітні сигма-дельта модулятори, в яких як АЦП використовується компаратор, а як ЦАП - аналоговий комутатор (рис. 4.40). Принцип дії пояснений в табл. 4.2 на прикладі перетворення вхідного сигналу, рівного 0,6 В, при U_оп=1 В. Нехай постійна часу інтегрування інтегратора чисельно рівна періоду тактових імпульсів. В нульовому періоді вихідна напруга інтегратора скидається в нуль. На виході ЦАП також встановлюється нульова напруга. Потім схема проходить через показану в табл.4.3 послідовність станів.

Таблиця 4.3 – Послідовність станів АЦП

Uвх=0,6 В					Uвх=0 В
N такту	U, В	Uі, В	Uк, біт	UЦАП, В	N такту	U, В	Uі, 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

В тактові періоди 2 и 7 стани системи ідентичні, так як при незмінному вхідному сигналі U_вх=0,6 В цикл роботи займає п’ять тактових періодів. Усереднення вихідного сигналу ЦАП за цикл дійсно дає величину напруги 0,6 В:

(1-1+1+1+1)/5=0,6.

Для формування вихідного коду такого перетворювача необхідно якимось чином перетворити послідовність біт на виході компаратора в виді унітарного коду в послідовний або паралельний двійковий код. Це можна зробити за допомогою двійкового лічильника. Візьмемо 4-розрядний лічильник. Підрахування бітів на виході компаратора за 16-ти тактовий цикл дає число 13. Неважко побачити, що при U_вх=1 В на виході компаратора завжди буде одиниця, що дає за цикл число 16, тобто переповнення лічильника. Навпаки, при U_вх=-1 В на виході компаратора завжди буде нуль, що дає рівний нулю вміст лічильника в кінці циклу. У випадку, коли U_вх=0 то, як це видно із табл. 4.2, результат лічби за цикл складе 8₁₀ або 1000₂. Це значить, що вихідне число АЦП представляється в зміщеному коді. В розглянутому прикладі верхня межа повної шкали складе 1111₂ або +7₁₀, а нижня - 0000₂ або -8₁₀. При U_вх=0,6 В, як це видно із лівої половини табл. 4.2, вміст лічильника складе 1310 в зміщеному коді, що відповідає +5. Враховуючи, що +8 відповідає U_вх=1 В, знайдемо

5*1/8=0,625 > 0,6 В.

При використанні двійкового лічильника як перетворювача потоку бітів, що поступають з виходу компаратора, необхідно виділити фіксований цикл перетворення, тривалість якого рівна добутку K_рах f_такт. Після його закінчення повинно проводитись зчитування результату, наприклад, за допомогою регістра-засувки і обнулення лічильника. В цьому випадку с точки зору завадопоглинаючих властивостей сигма-дельта АЦП близькі до АЦП багатотактового інтегрування. Більш ефективно з цієї точки зору використання в сигма-дельта АЦП цифрових фільтрів з кінцевою тривалістю перехідних процесів.

В сигма-дельта АЦП звичайно використовуються цифрові фільтри з амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) виду (sinx/x)³. Передатна функція такого фільтра в z-області визначається за виразом

,

де М - ціле число, яке задається програмно і рівне відношенню тактової частоти модулятора до частоти відліків фільтра. (Частота відліків - це частота, з якою обновляються дані). Наприклад, для АЦП AD7714 це число може приймати значення от 19 до 4000. В частотній області модуль передатної функції фільтру

. (4.47)

На рис. 4.41 наведений графік амплітудно-частотної характеристики цифрового фільтра, побудований згідно виразу (4.47) при f_такт=38,4 кГц і М=192, що дає значення частоти відліків, що співпадає з першою частотою резекції фільтру АЦП, f_відл=50 Гц. Порівняння цієї АЧХ с АЧХ коефіцієнта поглинання завад АЦП з двократним інтегруванням (рис. 4.38) показує значно кращі завадопоглинаючі властивості сигма-дельта АЦП.

В

Рисунок 4.41

одночас використання цифрового фільтра нижніх частот у складі сигма-дельта АЦП замість лічильника викликає перехідні процеси при зміненні вхідної напруги. Час встановлення цифрових фільтрів з кінцевою тривалістю перехідних процесів, як слідує із їх назви складає для фільтру виду (sinx/x)³ чотири періоди частоти відліків, а при початковому обнуленні фільтру - три періоди. Це зменшує швидкодію систем збору даних на основі сигма-дельта АЦП. Тому випускаються мікросхеми AD7730 і AD7731, оснащені складним цифровим фільтром, що забезпечує перемикання каналів із часом встановлення 1 мс при збереженні ефективної розрядності не менше 13 біт (так званий Fast-Step режим). Звичайно цифровий фільтр виготовляється на тому ж кристалі, що і модулятор, але іноді вони випускаються у вигляді двох окремих мікросхем (наприклад, AD1555 - модулятор четвертого порядку і AD1556 - цифровий фільтр).

Порівняння сигма-дельта АЦП із АЦП багатотактового інтегрування показує значні переваги перших. Перед усім, лінійність характеристики перетворення сигма-дельта АЦП вища, чим у АЦП багатотактового інтегрування рівної вартості. Це пояснюється тим, що інтегратор сигма-дельта АЦП працює в значно більш вузькому динамічному діапазоні, і нелінійність перехідної характеристики підсилювача, на якому побудований інтегратор, проявляється значно менше. Ємність конденсатора інтегратора у сигма-дельта АЦП значно менше (десятки пікофарад), так що цей конденсатор може бути виготовлений прямо на кристалі мікросхеми. Як наслідок, сигма-дельта АЦП практично не мають зовнішніх елементів, що суттєво зменшує площу, яку воно займають на платі, і понижує рівень шумів. В результаті, наприклад, 24-розрядний сигма-дельта АЦП AD7714 виробляється у вигляді однокристальної мікросхеми в 24-виводному корпусі, споживає 3 мВт потужності і коштує приблизно 14 доларів США, а 18-розрядний АЦП восьмитактного інтегрування HI-7159 споживає 75 мВт і коштує близько 30 доларів. Крім того, сигма-дельта АЦП починає давати правильний результат через 3-4 відліка після стрибкоподібної зміни вхідного сигналу, що при величині першої частоти резекції, рівної 50 Гц, и 20-розрядній розрізнювальній здатності складає 60-80 мс, а мінімальний час перетворення АЦП HI-7159 для 18-розрядної розрізнювальної здатності і тій же частоті резекції складає 140 мс. Нині ряд ведучих по аналого-цифровим мікросхемам фірм, такі як Analog Devices і Burr-Brown, припинили виробництво АЦП багатотактового інтегрування, повністю перейшовши в області АЦ-перетворення високої розрізнювальної здатності на сигма-дельта АЦП.

Сигма-дельта АЦП високої розрізнювальної здатності мають розвинуту цифрову частину, що включає мікроконтролер. Це дозволяє реалізувати режими автоматичної установки нуля і самокалібрування повної шкали, зберігати калібрувальні коефіцієнти і передавати їх по запиту зовнішнього процесора.