2.3. Вольтметр на основе ацп - преобразования
Вольтметр на основе АЦП - преобразования относится к приборам частотно-импульсного преобразования. Один из принципов, заложенных в таких преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно, увеличить разрешающую способность, это усреднение результатов измерения на большом интервале времени. Принцип - преобразования заключается в нейтрализации тока, поступающего на интегратор от внешнего источника сигнала, некоторым образцовым током, который вырабатывается источником тока схемы.
Один из вариантов функциональной схемы такого вольтметра приводится на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Функциональная схема вольтметра на основе АЦП - преобразования
Работа схемы осуществляется следующим образом. Под действием напряжения -UХ напряжение на выходе интегратора линейно увеличивается. При переходе его через нуль на выходе компаратора DA2 устанавливается "1". По приходу первого импульса с выхода ГТИ, на прямом выходе триггера DD1 тоже установится "1". Эта "1" открывает ключ DD2, и импульсы выхода ГТИ поступают на рабочий счетчик импульсов (СИР). Логическая единица на прямом выходе триггера переключит ключ так, что опорное напряжение U0 через резистор R создаст ток, компенсирующий действие тока, который создается источником сигнала -UХ. То есть создастся ток I0 = U0/R, предельное значение которого равно UХmax/R.
В результате за цикл преобразования среднее значение тока через конденсатор будет равно нулю. Длительность цикла преобразования tЦ = N0/fГТИ, где N0 – емкость опорного счетчика СИО. Процесс преобразования заканчивается по сигналу "переполнение" на выходе СИО.
В результате преобразования в работающем счетчике накапливается код, прямо пропорциональный числу пересечений напряжения на выходе интегратора нулевого значения.
Задний фронт сигнала "переполнение" производит запись кода NX с выхода СИР в регистр Рг и вызывает появление на выходе БУ сигнала "сброс", обнуляющего СИР и СИО. Минимальная длительность сигнала "сброс" определяется временем, необходимым для надежного обнуления СИР и СИО (как правило, достаточно десятых долей мкс).
Уравнение преобразования такого вольтметра:
В этом приборе значение tЦ = N0/fГТИ, как и в двухтактном вольтметре, можно подобрать так, чтобы в нем укладывалось целое число периодов ожидаемой помехи. Но данный прибор позволяет проводить измерения за время tЦ, много меньшее периода помехи, однако чаще всего АЦП, входящий в состав вольтметра, содержит цифровой фильтр.
Особенности АЦП - преобразования с цифровым фильтром
Основные узлы такого АЦП – это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 2.7. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.
Рис. 2.7. Структурная схема сигма-дельта модулятора
Порядок модулятора определяется числом интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы i-того порядка содержат i сумматоров и интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Примерами сигма-дельта модуляторов высокого порядка являются одноканальный модулятор AD7720 седьмого порядка и двухканальный ADMOD79 пятого порядка.
Наиболее широко в составе ИМС применяются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП – аналоговый коммутатор (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Структурная схема сигма-дельта АЦП
При использовании двоичного счетчика в качестве преобразователя потока битов, поступающих с выхода компаратора, необходимо выделять фиксированный цикл преобразования, длительность которого равна Kсч . fтакт. После его окончания должно производиться считывание результата, например, с помощью регистра-защелки и обнуление счетчика. В этом случае с точки зрения помехоподавляющих свойств сигма-дельта АЦП близки к АЦП 2-тактного интегрирования. Поэтому более эффективно применение в сигма-дельта АЦП цифровых фильтров с конечной длительностью переходных процессов.
В сигма-дельта АЦП обычно применяются цифровые фильтры с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) вида [3(sinx/x)]. Передаточная функция такого фильтра в z-области определяется выражением
где М – целое число, которое задается программно и равно отношению тактовой частоты модулятора к частоте отсчетов фильтра. (Частота отсчетов – это частота, с которой обновляются данные). Например, для АЦП AD7714 это число может принимать значения от 19 до 4000. В частотной области модуль передаточной функции фильтра
Сравнение АЧХ цифрового фильтра, построенной согласно последнему выражению, с АЧХ коэффициента подавления помех АЦП двухтактного интегрирования показывает значительно лучшие помехоподавляющие свойства сигма-дельта АЦП.
В то же время применение цифрового фильтра нижних частот в составе сигма-дельта АЦП вместо счетчика вызывает переходные процессы при изменении входного напряжения. Время установления цифровых фильтров с конечной длительностью переходных процессов, как следует из их названия, конечно и составляет для фильтра вида [3 (sinx/x)] четыре периода частоты отсчетов, а при начальном обнулении фильтра – три периода. Это снижает быстродействие систем сбора данных на основе сигма-дельта АЦП. Поэтому выпускаются ИМС AD7730 и AD7731, оснащенные сложным цифровым фильтром, обеспечивающие переключение каналов с временем установления 1 мс при сохранении эффективной разрядности не ниже 13 бит (так называемый Fast-Step режим). Обычно цифровой фильтр изготавливается на том же кристалле, что и модулятор, но иногда они выпускаются в виде двух отдельных ИМС (например, AD1555 – модулятор четвертого порядка и AD1556 – цифровой фильтр).
Сравнение сигма-дельта АЦП с АЦП двухтактного интегрирования показывает значительные преимущества первых. Прежде всего, линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у АЦП 2-тактного интегрирования равной стоимости. Это объясняется тем, что интегратор сигма-дельта АЦП работает в значительно более узком динамическом диапазоне и нелинейность переходной характеристики усилителя, на котором построен интегратор, сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки пФ), так что этот конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИМС. Как следствие, сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов. В результате, например, 24-разрядный сигма-дельта АЦП AD7714 изготавливается в виде однокристальной ИМС в 24-выводном корпусе, потребляет мощность 3 мВт и стоит примерно 14 долларов США, а 18-разрядный АЦП 8-тактного интегрирования HI-7159 потребляет 75 мВт и стоит около 30 долларов.
К тому же сигма-дельта АЦП начинает давать правильный результат через 3-4 отсчета после скачкообразного изменения входного сигнала, что при величине первой частоты режекции, равной 50 Гц, и 20-разрядном разрешении составляет 60-80 мс, а минимальное время преобразования АЦП HI-7159 для 18-разрядного разрешения и той же частоты режекции составляет 140 мс. В настоящее время ряд ведущих по аналого-цифровым ИМС фирм, например Analog Devices и Burr-Brown, прекратили производство АЦП многотактного интегрирования и полностью перешли в область аналого-цифрового преобразования высокого разрешения с использованием сигма-дельта АЦП.
Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеют развитую цифровую часть, зачастую включающую микроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего процессора.