20. Аналого-цифровые преобразователи

Cм. стр.189-199 в [2]

21. Параллельные ацп

Cм. стр.206-207 в [2]

22. Ацп поразрядного уравновешивания.

Преимушества обработки информации и осуществления функций управления с

использованием цифровых методов становятся все более очевидными. Однако дан-

ные, которые мы получаем из реального мира, обычно представлены в аналоговой

форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора дан-

ных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких измерительных

преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преоб-

разование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры,

схемы выработки - хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи

(АЦП).

Наиболее важным компонентом таких систем является аналого-цифровой прео-

бразователь - АЦП.

Принципы работы АЦП.

В этом разделе вводятся основные понятия и объясняются некоторые широко

используемые термины, относящиеся к АЦП, а также описываются характеристики

входных и выходных сигналов типичного АЦП.

Основное соотношение между входными и выходными сигналами

Аналого-цифровое преобразование по существу является операцией, устанав-

ливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал Ui преобразуется

в цифровой код Nвых по какой-либо функциональной зависимости, чаще всего ли-

нейной или - точнее - кусочно-линейной: Nвых = f(Ui). При этом могут исполь-

зоваться различные алгоритмы отыскания цифрового эквивалента входного анало-

гового сигнала. Например, довольно часто в основе этого процесса лежит прео-

бразование входного сигнала в дробь x путем сопоставления его значения с уро-

внем опорного сигнала Ur. Цифровой сигнал преобразователя есть кодовое предс-

тавление этой дроби. Это фундаментальное соотношение иллюстрируется на рис.1

(а). Если выходной код преобразователя является n-разрядным, то число дискре-

тных выходных уровней равно 2n. Для взаимно-однозначного соответствия диапа-

зон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней.

Каждый квант (величина интервала) такого разбиения представляет собой значе-

ние аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, пре-

х Код

Выходной

сигнал ┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐

АЦП │ |

7/8 111 ├ ┌────|

│ │ |

Ur 3/4 110 ├ ┌───┘ |

│ │ │ | |

┌───────┐ 5/8 101 ├ ┌───┘ | |

│ │ │ │ | | |

Ui──>│ АЦП │──> 1/2 100 ├ ┌───┘ | | |

│ │Цифровой │ │ | | | |

│ │ выход 3/8 011 ├ ┌───┘ | | | |

└───────┘ │ │ | | | | |

Выходной сигнал 1/4 010 ├ ┌───┘ | | | | |

х = Ui/Ur │ │ | | | | | |

1/8 001 ├ ┌───┘ | | | | | |

(а) │ │ | | | | | | |

0 000 └─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼──┘

Квантованные──> 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 ПД

уровни

Аналоговый входной сигнал ───>

(б)

Рис.1.Аналого-цифровой преобразователь.(а) Взаимосвязь сигналов.

(б) Передаточная характеристика идеального 3-разрядного АЦП.

дставляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют также

величиной младшего разряда (МЗР). Таким образом,

Q = МЗР = ПД/2n,

где Q - квант, МЗР - аналоговый эквивалент единицы МЗР, ПД - полный диапа-

зон изменения входного аналогового сигнала.

Все аналоговые величины внутри заданного интервала разбиения представля-

ются одним и тем же цифровым кодом, которому обычно ставят в соответствие

значение аналоговой переменной в средней точке интервала, называемое порого-

вым уровнем. Тот факт, что входной сигнал может отличаться от порогового

уровня на величину, достигающую ё 1/2 МЗР, не отличаясь при этом по кодовому

представлению, означает, что любому процессу аналого-цифрового преобразования

присуща неопределенность (погрешность) дискретизации, равная ё 1/2 МЗР. Ее

влияние можно только уменьшить, увеличивая число разрядов в выходном коде

преобразователя. На рис.1(б) иллюстрируется взаимосвязь входных и выходных

сигналов для идеального 3-разрядного АЦП. Величина МЗР равна 1/8 ПД, а диапа-

зон изменения входного сигнала разбит на 8 отдельных уровней, от 0 до 7/8 ПД.

Обратим внимание, что максимальное двоичное число 111 на выходе преобразова-

теля соответствует не полному диапазону, а 7/8 ПД. C учетом того что, одна из

кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню входного сигнала, максималь-

ный выходной сигнал АЦП всегда соответствует аналоговой величине полного диа-

пазона минус 1 МЗР.

Разрешение преобразователя

Этот наиболее важный параметр преобразователя определяется как минималь-

ная величина изменения аналогового напряжения на входе АЦП, вызывающая изме-

нение выходного кода на один МЗР. Значение этого параметра обычно указывается

в расчете на идеальный преобразователь и поэтому скорее отражает возможности

преобразователя, чем его реальные рабочие характеристики. Разрешение может

задаваться в процентах от полного диапазона, в милливольтах для заданного ди-

апазона изменения входного сигнала или просто, как это чаще всего делается,

числом разрядов преобразователя.

Точность преобразователя

Точность преобразователя определяется как максимальная разность между

фактическим входным напряжением и аналоговым эквивалентом двоичного выходного

кода при заданном полном диапазоне. Этот параметр называют абсолютной точно-

стью, когда его значение указывается в реальных вольтах. Однако гораздо чаще

при определении точности на единицу измерения аналогового сигнала принимается

величина МЗР; тогда речь идет об относительной точности. В любом случае, точ-

ность преобразователя есть максимальное значение суммы всех его погрешностей,

включая погрешность квантования. В спецификации погрешностей преобразователя

обычно указываются отдельные погрешности в единицах МЗР. Для преобразовате-

лей, которые не требуют коррекции смещения или усиления (к ним относится, на-

пример, АЦП ADC0816 фирмы National Semiconductor), может быть указана полная

некорректируемая погрешность (ё1/2 МЗР для ADCO816). Точность не всегда вклю-

чается в технические характеристики АЦП, если указаны отдельные погрешности,

но ее очень просто рассчитать.

Входные и выходные сигналы преобразователя

Аналоговый входной сигнал. Большинство монолитных преобразователей скон-

струированы в расчете на работу с дифференцильным или отсчитываемым от потен-

циала земли однополярным входным сигналом. Уровень этого сигнала должен быть

согласован с установленным входным диапазоном преобразователя. Чаще всего ис-

пользуются входные диапазоны 0...10 B и 0...5 B. Если фактический диапазон

изменения входного сигнала составляет только часть полного входного диапазо-

на преобразователя, то некоторые выходные кодовые комбинации преобразователя

никогда не будут реализованы. При этом неоправданно сужается динамический ди-

апазон преобразователя, что приводит к более сильному влиянию погрешностей

преобразователя на выходной сигнал. Наилучшее решение этой проблемы - выбор

преобразователя с наиболее подходящим входным диапазоном и предварительное

масштабирование входного сигнала с помощью операционного усилителя. В больши-

нстве систем входной сигнал обычно требует некоторой предварительной обработ-

ки, и согласование может быть выполнено в конечном каскаде соответствующей

обрабатывающей схемы. В некоторых случаях недостаточный размах входного сиг-

нала можно скомпенсировать путем пропорцианального уменьшения масштаба опор-

ного сигнала при условии, что в конструкции преобразователя предусмотрена

возможность регулировнки уровня опорного сигнала.

Для двухполярного (биполярного) входного входа сигнала тоже можно исполь-

зовать однополярный преобразователь, сначала масштабируя этот сигнал, а затем

добавляя к нему напряжение смещения, как показано на рис.2. Если же на выхо-

де необходимо иметь информацию о полярности сигнала, приходится использовать

биполярный преобразователь. Биполярные преобразователи работают с биполярны-

ми входными диапазонами, чаще всего от -5 до +5 В, и вырабатывают выходные си-

R

Ui (-Ui/4)+2.5 ┌────█████────┐

+10 ┐ 5 ┐ 5 ┐ 4R │ │

│ -Ui/4 │ │ Ui ───█████───┤ │

+5 ┤ 2.5 ┐ ─── ┤ ─── ┤ │ ┌─────┐ │

│ │ │ │ ├─┤- │ │

0 ┤ ─── 0 ┤ 0 ┘ 0 ┘ 4R │ │ │ │

│ │ Входной -10 B───█████───┘ │ ├─────┴──>к АЦП

-5 ┤ -2.5 ┘ диапазон (Esh) ┌─┤+ │

│ АЦП │ └─────┘

-10 ┘ ─┴─

(а) (б)

Рис.2. Согласование биполярного сигнала с униполярным АЦП. (а) Входной сиг-

нал масштабируется и смещается. (б) Схема, реализующая такое преобразование.

гналы в виде цифровых кодов (дополнительном, смещенном, прямом или обратном).

В схемах АЦП последовательного приближения (см.ниже) напряжение смещения Esh

для установки входного диапазона может подаваться через резистор, выполненный

на том же кристалле, что и сама БИС АЦП, а в качестве операционного усилителя

DA1 также может использоваться усилитель, преобразующий выходной ток сетки

R-2R в напряжение ЦАП для сравнения на компараторе с входным напряжением Ui.

Для работы каждого АЦП нужен аналоговый опорный сигнал, с которым срав-

нивается входной сигнал. Любая погрешность опорного сигнала, связанная с нето-

чностью его первоначальной установки или температурным и временным дрейфом,

проявляется как погрешность усиления в передаточной характеристике АЦП. Поэто-

му точность и стабильность опорного сигнала являются важнейшими факторами в

реализации полной точности АЦП.

Выходной цифровой сигнал АЦП характеризуется числом разрядов (разрешени-

ем) и типом используемого кода. Наибольшее распространение получили преобразо-

ватели с 8- и 12-разрядным разрешением. В униполярных преобразователях в каче-

стве выходного кода чаще всего используется обычный двоичный код. Выходные си-

гналы преобразователей, специально разрабатываемых для измерительных приборов

с цифровым отображением информации и цифровых мультиметров, практически всегда

представляются в двоично-десятичном коде.

Для функционирования любого АЦП требуются синхронизирующий и некоторые

управляющие сигналы. Представление об управляющих сигналах лучше всего полу-

чить, рассматривая один цикл преобразования типичного АЦП. Внешнее устройство,

с которым связан АЦП (например, микропроцессор), инициирует процесс преобразо-

вания путем переключения на мгновение входа START АЦП в состояние высокого

уровня. В момент начала процесса преобразования АЦП переводит в состояние ни-

зкого уровня свою линию BUZY/EOC (АЦП занят/ Преобразование завершено). Таким

образом, внешним устройствам сообщается, что идет процесс преобразования и что

пока еще не следует вести поиск выходных данных и не следует инициировать но-

вый цикл преобразования. По завершении текущего преобразования АЦП возвращает

эту линию в исходное состояние высокого уровня. Этот переход, как правило, ис-

пользуется для генерации сигнала прерывания микропроцессора или какого-либо

другого сигнала, сообщающего внешнему устройству о завершении преобразования.

Внешнее устройство посылает в АЦП сигнал разрешения вывода (ОЕ), разрешающего

АЦП выдачу выходного слова на шину данных. В преобразователях с более чем 8-

разрядным разрешением сигнал ОЕ может разбиваться на два сигнала - разрешения

вывода старшего байта (НВЕ) и разрешения вывода младшего байта (LDE), в резу-

льтате чего выходное слово преобразователя может передаваться по 8-разрядной

шине данных в виде двух последовательных посылок.

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 прибли-

жения 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 ре-

зультате процесс преобразования занимает гораздо меньше времени, и, кроме то-

го, время преобразования не зависит от уровня входного сигнала. Данный метод

основан на аппроксимации входного сигнала двоичным кодом и последующей прове-

рки правильности этой аппроксимации для каждого разряда кода, пока не дости-

гается наилучшее приближение к величине входного сигнала. На каждом этапе

этого процесса двоичное представление текущего приближения хранится в так на-

зываемом регистре последовательного приближения (РПП).

На рис.3. показана базовая функциональная схема n-разрядного АЦП после-

довательного приближения. Преобразование всегда начинается с установки еди-

┌─────────────┐

│ ЦАП ├──── Ur (опорный)

┌───────────────┤ (R-2R + ДОУ)├──── Ush (сдвиг диапазона)

│ └─────────────┘

│ /║\

│ ╠═══════> Nвых

│ ┌─────┐ ┌─────╨───────┐

└──┤+ THR│ │ РПП ├────> EOC

Ui ──────┤- ├──────┤ (SAR) │<──── Start

└─────┘ └─────────────┘

/│\

┌──┴──┐

│ ГТИ │

└─────┘

Рис.3.

значения СЗР в РПП. Это соответствует первоначальной оценке величины входного

сигнала половиной величины полного диапазона (полной шкалы). Компаратор срав-

нивает выходной сигнал ЦАП с входным напряжением и выдает контроллеру команду

на сброс СЗР, если эта первоначальная оценка превышает величину входного сиг-

нала; в противном случае остается установленное значение СЗР. В следующем та-

кте контроллер устанавливвает в единичное значение следующий (по старшенству)

разряд, и снова, исходя из уровня входного сигнала, компоратор "решает", сбра-

сывать или оставлять установку этого разряда. Преобразование продолжается ана-

логичным образом, пока не будет проверен последний МЗР. В этот момент содержи-

мое РПП и выходного регистра является наилучшим двоичным приближением входного

сигнала - это и есть выходной цифровой сигнал (слово) АЦП. Поскольку в процес-

се последовательного приближения установка значений разрядов выполняется в по-

следовательном порядке, то в АЦП этого типа исключительно просто обеспечивает-

ся последовательный вывод данных. Обратим внимание, что предполагалось постоя-

нство уровня входного сигнала в процессе преобразования. Вообще говоря, мы не

можем гарантировать выполнение этого условия, и необходимо учитывать влияние

изменения входного напряжения на выходной сигнал преобразователя. В системах

сбора данных для уменьшения подобного родп погрешностей на входн АЦП ставят

УВХ, запоминающие текущее значение сигнала на время преобразования.

Список контрольных вопросов.

1. Для чего могут использоваться АЦП?

2. Как можно обеспечить двухполярный режим работы АЦП типа К572ПВ1?

3. С чего начинается процесс преобразования в АЦП поразрядного уравновешивания?

4. Какова зависимость величины выходного кода от входного напряжения АЦП?

5. В чем обычно измеряется точность преобразования в АЦП?

6. Возможно-ли разнополярное входное напряжение в АЦП (да/нет)?

7. Сколько шагов требует алгоритм поразрядного уравновешивания для формирования 3-х-разрядного кода в АЦП (наберите цифру)?

8. Какие элементы входят в состав АЦП поразрядного уравновешивания?

9. Каковы основные источники статических (постоянных) погрешностей в АЦП?

Cм. стр.201-203 в [2]

Структурная схема установки для лабораторных работ.

┌──────────────┬─────┐ ┌────┬─────┬────┐ ┌──┬───┬──┐

│ Источники │ │ │ │ SAR │ D0├───┤D0│DAC│R ├─────────────────────┐

│ сигналов: │ │ │ │ РПП │ . │ │ .│ЦАП│ │ ┌─────┐ │

│ │START├─┐ │ │ │ . │ │ .│ │Er├─┤-Eref│ │

│Число тактовых│ │ │ │ │Число│ . │ │ .│ │R ├─┤+Esh │ │

│импульсов пос-│ │ └─┤ ST │ раз-│ . │ │ .│ │ │ └─────┘┌──┬───┬──┐ │

│ле стартового:│ │ ┌─┤ C │рядов│ . │ │ .│ │I ├────────┤- │ M│ U├──┤

│ │ OSC ├─┘ │ │ РПП:│ │ │ │ │-I├──┐ │ │ │ │ │

│ │ │ ┌─┤DIN │ │ DN├───┤DN│ │0V├──┼─────┤+ │ │ │ │

│ │ │ │ │ │ │D0/N├─┐ └──┴───┴──┘ ─┴─ └──┴───┴──┘ │

├──────────────┼─────┤ │ └────┴─────┴────┘ └───────────────────┐ КР140УД8 │

│ Режим: преоб-│ │ │ ┌────────────────┼─────────────┘

│разование ли-│ │ └──────────────────────┼──────────────┐ │ ┌──┬─────────┐

│нейно увеличи-│ │ │ ┌───┬───┬───┐│ └─┤Y │Двухкоор-│

│ вающегося от │ │ └─┤ - │TH │Out├┘ │ │динатный │

│-9.2 до +9.2 В│ │ │ │ │ │ │ │ графопо-│

│ напряжения в │ Uadc├───────────┬──────────────┤ + │ │ │ ┌─┤X │строитель│

│ код │ │ │ К521СА3 └───┴───┴───┘ │ └──┴─────────┘

└──────────────┴─────┘ └─────────────────────────────┘