Лекции / ЛЕКЦИЯ21_09

Рисунок 21.1 – Квантование и дискретизация непрерывного сигнала в АЦП

б) операцию дискретизации – представление ступенчатого сигнала в от-

дельные конкретные моменты времени (дискретное представление) в виде циф-

рового кода.

Существуют различные варианты классификации аналого-цифровых преобра-

зователей. Со стороны практики использования, АЦП можно классифицировать

по рисунку 21.2.

В первую очередь, их можно разделить на три категории:

– преобразователи электрического напряжения (тока) в код;

– преобразователи линейных и угловых перемещений в код;

– прочие (специализированные).

1 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН могут быть (в ос-

новном) трёх видов:

–интегрирующие;

–кодоимпульсные;

–параллельные.

1.1 Об ИНТЕГРИРУЮЩИХ АЦП можно сказать, что им вследствие опера-

ции интегрирования, присуще свойство усреднения:

заряд, получаемый конденсатором в АЦП при протекании среднего тока,

поступающего на аналоговый вход АЦП, сравнивается с зарядом, обеспечивае-

мым известным образцовым током.

К таким преобразователям относятся АЦП времяимпульсного и частотно-

импульсного типа.

Алгоритм работы времяимпульсного преобразователя следующий: сначала

входной сигнал преобразуется в длительность временного интервалаDt (дли-

тельность зависит от значения входного сигнала), а затем этот интервал преобра-

зуется в двоичный код.

В частотно-импульсном преобразователе входной сигнал сначала преобра-

зуется в частоту следования импульсовfX (частота зависит от значения входного

сигнала), а затем эта частота преобразуется в двоичный код.

АЦП

Рисунок 21.2 – Классификация АЦП

Оба вида преобразования характерны последовательным счётом квантов –

(наименьших по значению мер, имеющихся в составе преобразователя), и не явля-

ются быстродействующими.

Двухтактные времяимпульсные АЦП и частотно-импульсные АЦП, явля-

ясь интегрирующими, и вследствие своей структуры и алгоритма работыне реагируют на помеху, попадающую на вход преобразователя.

Для этого при проектировании соблюдаются условиякратности между

длительностью прямого интегрирования (в частотно-импульсном – интервала преобразования) И периодом сигнала помехи.

Однотактные времяимпульсные АЦП просты: в них входной сигнал сравни-

вается с опорным линейно возрастающим сигналом. Но они методически не за-

щищены от помехи нормального вида (попадающей на вход преобразователя).

Многотактные времяимпульсные преобразователи обладают высокой точ-

ностью преобразования, но при этом схемно сложны.

Частотно-импульсные АЦП зарядно-разрядного типа просты, но при этом

не обладают высокой точностью. В них происходит заряд конденсатора входным сигналом и затем неконтролируемый разряд.

В то же время, когда такие преобразователи строятся по схеме с обратной свя-

зью, когда разряд конденсатора в преобразователе происходит образцовым то-

ком, точность преобразования резко увеличивается.

1.2 КОДОИМПУЛЬСНЫЕ АЦП – это, фактически, системы слежения за

входным сигналом со стороны компенсирующего сигнала, формируемого в пре-

образователе с помощью кода. Значение кода для компенсирующего сигнала на

этапе его равенства значению входного сигнала принимается как результат преобра-

зования.

Токовые кодоимпульсные АЦП обладают более высоким быстродействием

за счёт использования для обработки параметра «величина тока». Это связано с соз-

данием генераторов тока, меняющие величину задающего тока за время10–20

нс и менее.

1.3 Параллельные АЦП имеют в своём составебольшое число опорных на-

пряжений (мер), каждое из которых поступает на вход опорного сигнала отдельно-

го компаратора.

На другой вход всех компараторов подаётся входной сигнал, и в момент команды на сравнениезначений сигналов компараторами, все они переключают

состояния своих выходов, в зависимости от соотношения значений сигналов, посту-

пивших на их входы.

Соотношения числа переключившихся и не переключившихся компара-

торов определяет значение кода на выходе такого АЦП.

Параллельные АЦП схемно сложны. Число каждого из отдельныхфункцио-

нальных узлов в таком компараторе определяется значением 2n (n – число разря-

дов выходного кода). Но они обладают максимальным быстродействием.

Параллельно-последовательные АЦП являются компромиссным вариан-

том: при приемлемой сложности схемы, они обладают большой разрядностью

(10–16 разрядов) и не очень большой потерей быстродействия относительно па-

раллельных преобразователей.

В них весь преобразователь наn разрядов разбивается на группы поm

разрядов: внутри группы идёт параллельное преобразование, а группа за груп-

пой работают последовательно.

2 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

обычно строят двух типов:

– со счётом квантов, когда при перемещении объекта тактируется счёт-

чик, выходной код которого отражает значение смещения объекта;

– с кодовой маской: на объекте укреплена многоразрядная кодовая маска,

двигающаяся вместе с объектом инаходящаяся под контролем (каждый разряда

маски) неподвижной системы считывания положения маски. В момент оста-

новки объекта, система считывания тут же отражает состояние каждого разряда маски, формируя выходной код преобразователя.

То есть, такие преобразователи характерны максимальным быстродейст-

вием: за счёт «кодовой маски» они, по сути, являются преобразователями парал-

лельного типа.

3 СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ АЦП: предназначены для выполнения спе-

циальных функций, в зависимости от области их использования.

Функциональные АЦП служат для ввода функций линеаризации по образцо-

вым значениям параметра.

Активно развиваются класс преобразователей, называемых сигма-дельта АЦП

(SD–АЦП; SD–преобразование).

Чаще всего применяется в микросхемах АЦП звукового диапазона частот.

Это обусловлено сравнительно небольшими требованиями таких систем к диапа-

зону частот и значительными требованиями к минимизации уровня шумов и расширению динамического диапазона.

Обычно в АЦП квантованию предшествует дискретизацияпреобразуемого

сигнала. Отсчеты берутся в точках дискретизации и являются, соответственно, его

мгновенными значениями.

В сигма-дельта АЦП последовательность действий изменена. Функцио-

нальная схема такого АЦП представлена на рисунке 21.3 [1].

синхронизированную тактовыми импульсами с частотой fT.

То есть, сигма-дельта модулятор – это синхронизированный ЧИМ модулятор с цепью синхронизации «fТ». В сигма-дельта модуляторе осуществляется кванто-

вание сигнала с частотой fт.

Частота следования импульсов ЧИМ модулятора определяется: fМОД(ti) = KМОДiВХ(ti) = [iВХ(ti)/I ]/t,

где KМОД = 1/SI – коэффициент преобразования;

fМОД(ti) и iВХ(ti) – мгновенные значения частоты и тока в дискретных временных точкахti, определяемых временным положением импульсов модулятора [2];

I – ток прямоугольного импульса с нормированным значением тока и результирующей площа-

дью SI = It = const.

Встатическом режиме, при iВХ(t) = iВХ = const, fМОД(ti) = fМОД = KМОДiВХ = (iВХ/I)/t.

Впреобразователе «f ® код» производится дискретизация квантованного

сигнала с выхода сигма-дельта модулятора с частотой fД = fТ/2N, где N – разряд-

ность преобразования.

Существенным является то, что отсчеты берутся не в точках дискретиза-

ции входного сигнала АЦП, а определяются средними значениями частоты сле-

дования импульсов с выхода сигма-дельта модулятора на интервалах дискрети-

зации Dtj = 1/fД.

Последнее определяет частотную характеристику преобразования, функция которой записывается:

a(F/fд) = sin(2pF/fд)/(2pF/fд),

где F – частота модуляции, она же – частота преобразуемого сигнала.

Согласно этого выражения, на частотах F = 0, fД/8, fД/4, fД/2, где fД/2 – предельная частота согласно теореме Котельникова, a (F/fД) = 1; 0,9; 0,64; 0 – наблюдается плавный спад характеристики до нуля, требующий использования более узкого диапазона частот преобразуемого сигнала.

Для возможности использования диапазона частот доfД/2 может быть применена дополнительная передискретизация: её частота равна KfД, при соответственно увеличенной в K раз частоте квантования (на рисунке 21.2 коэффициент K показан в скобках). При этом в выражении выше вместо fД следует использовать KfД.

Диапазон частот расширяется вK раз, в результате чего частотам доfД/2 будет соответствовать почти равномерный участок частотной характеристики. Степень равномерности будет зависеть от величины K.

Выходной цифровой фильтр с децимацией отсчетовпосле преобразования

ограничивает избыточное расширение частотного диапазона.

21.1.1 Времяимпульсный АЦП с линейной развёрткой (однотактный)

НАИБОЛЕЕ СЛОЖНЫМ узлом АЦП является его узел аналогового преоб-

разования, в основном определяющий погрешность АЦП.

Простейшим примером АЦП является ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЛИНЕЙНОЙ РАЗВЁРТКОЙ(однотактный). Он даёт

приемлемую для большинства практических случаев точность преобразования при простой схемной реализации с современной элементной базой(рисунок

21.4).

На рисунке 21.4 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу АЦП (точки наблюдения 1–4 относительно схемы на рисунке 21.5).

Здесь tФ, tПОД – длительность интервалов фиксации результата преобразо-

вания и подготовки к следующему циклу преобразования;

ТЦ ПР – длительность цикла преобразования.

2 t

Рисунок 21.4 – Временные диаграммы однотактного АЦП

Преобразование входного напряжения uХ во временной интервалtХ является аналоговым (uХ и tХ – непрерывные по значению величины).

Преобразование интервала tХ в число импульсов NХ – аналого-цифровое, т. к.

NХ – дискретная величина.

Соотношение NХ и tХ определяется выражением NХ = f0tХ ,

где f0 – частота опорного генератора (ОГ), рисунок 21.5 (частота импульсного

сигнала, проходящего через временной селектор (схему И) за интервал времени tХ),

рисунок 21.5.

1

Рисунок 21.5 – Времяимпульсный АЦП с линейной развёрткой

Квант такого преобразователя (в единицах времени) равен периоду сигнала опорного генератора (то есть, 1/f0): единица младшего разряда выходного кода – это один импульс, просчитанный счётчиком СТ.

Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности(квантова-

ния) равно ± 0,5(1/f0): счётчик с раной вероятностью или сосчитает, или недосчита-

ет один входной импульс. Длительность интервала tХ и частота сигнала ОГ связаны между собой случайным образом.

Такая оценка погрешности дискретности сделана при условии, что начало

интервала tX и последовательность импульсов опорного генератора синхрони-

зированы между собой, то есть вероятность неучёта какой-либо части интервалаtX

в его начале равна нулю.

Если такая синхронизация не обеспечена в АЦП какими-либо дополнитель-

ными устройствами (например, системой ФАПЧ), то погрешность дискретности

(квантования) увеличивается в два раза за счёт неучёта какой-либо части интервала

tX в и в его начале, и в окончании интервала.