Аналого-цифровые преобразователи

АЦП предназначен для сопряжения аналоговых устройств с цифровыми вычислительными системами различного назначения (в измерительных приборах, устройствах дискретной автоматики, блоках цифровой индикации, датчиках и многих других агрегатах). Аналого-цифровое преобразование содержит операции дискретизации непрерывного напряжения u_х(t) во времени и квантование по уровню с последующим присвоением числового эквивалента, выраженного в форме кода.

Взятие выборок непрерывного сигнала (дискретизация по времени) и последующее восстановление аналогового сигнала по его дискретным значениям после цифровой обработки связана с внесением искажений. Их минимизация базируется на теореме отсчетов, формулирующей требования к максимальной частоте дискретизации при известном спектре сигнала. В соответствии с теоремой отсчетов восстановление аналогового сигнала с финитным (конечным) спектром, ограниченным частотой F_с возможно по его дискретным значениям, взятым через интервал T  1/(2 F_с). С целью уменьшения искажений непрерывного сигнала при дискретизации его подвергают предварительному преобразованию непосредственно в аналоговой форме (усилению, фильтрации, нормированию).

Типичная структура АЦП содержит несколько блоков (рис. 13.14):

Рис.13.14. Структура параллельного АЦП

Блок, задающий набор эталонных напряжений (токов), или элемент, вырабатывающий эталонное напряжение с изменяемым уровнем. Устройство (компаратор) для сравнения входного и эталонного напряжений. Устройство кодирования (шифратор), представляющее результат в заданном коде. Приведенная структура преобразователя, называемого параллельным или считывающим АЦП, использует непосредственное преобразование входного напряжения (не имеет цепи обратной связи).

Разработан ряд методов преобразования, на основе которых создано множество АЦП, отличающихся структурой, аппаратными средствами и имеющих широкую номенклатуру электрических, метрологических и эксплуатационных параметров (рис. 13.15).

Рис.13.15. Способы аналого-цифрового преобразования

Параллельные АЦП обладают высоким быстродействием, т. к. процедура преобразования содержит только две операции: сравнение напряжений и преобразование кода. Время преобразования складывается из интервалов срабатывания компаратора и шифратора. При высокой разрядности n большое число компараторов N = 2 ⁿ, позволяющее обеспечить одновременное сравнение со всеми эталонами, приводит к существенному потреблению энергии.

Для целого ряда приложений скорость преобразования является важным, но не определяющим параметром при выборе АЦП. Во многих случаях решающими факторами служат высокая точность и стабильность преобразования, уровень потребления электроэнергии и стоимость.

Большинство методов аналого-цифрового преобразования использует процедуры последовательного формирования набора эталонных уровней напряжения (дискретных или непрерывных) и их сравнение с входным аналоговым сигналом. Структура АЦП последовательного преобразования включает контур отрицательной обратной связи, обеспечивающей фиксацию равенства входного и эталонного напряжений и регистрацию полученного кода. Последовательное преобразование по существу выполняемых операций уступает в быстродействии параллельной процедуре.

По принципу действия различают ЦАП сравнения и счета. Первые базируются на сравнении входного напряжения с последовательностью дискретных (квантованных) значений эталонных напряжений, формируемых с помощью ЦАП. При совпадении значений сравниваемых напряжений фиксируется код ЦАП, эквивалентный значению входного сигнала. Действие АЦП счета основано на преобразовании напряжения во временной интервал и определении число импульсов стабильного генератора, заполняющих полученный интервал времени.

В каждой группе существует несколько типовых решений, которые заложены в многие модификации конкретных преобразователей. Например, АЦП счета могут осуществлять непосредственное преобразование напряжения в интервал или использовать интегрирование входного сигнала.

В АЦП сравнения эталонные уровни напряжения создаются на выходе ЦАП при подаче на его вход определенных кодовых комбинаций. При развертывающем преобразовании на вход ЦАП подаются следующие друг за другом двоичные числа, в результате чего на выходе формируется линейно нарастающее ступенчатое напряжение. Типовая структура АЦП содержит генератор импульсов (ГИ) и двоичный счётчик (СТ), формирующие последовательность кодов для ЦАП, и компаратора для сравнения входного напряжения U_х с выходным сигналом ЦАП u_ц (рис.13.16).

Рис.13.16. Структура развертывающего АЦП (а) и диаграммы работы (б)

С момента подачи импульса пуска U_п при t = 0 двоичный счётчик начинает счёт и выдаёт увеличивающиеся двоичные коды чисел на ЦАП, на выходе которого формируется линейно нарастающее ступенчатое напряжение u_ц(t). В момент равенства входного U_х и ступенчатого напряжений в момент t_и компаратор вырабатывает импульс U_сб, прекращающий работу счётчика. В результате на входе счётчика образуется число, код которого D отражает значение входного сигнала в момент выборки.

Основным недостатком рассмотренного АЦП последовательного сравнения является большое значение времени преобразования t_и, которое, кроме того, зависит от уровня сигнала U_х. Максимальное время преобразования n разрядного АЦП равно , где Δt- период следования импульсов генератора.

Точность преобразования в основном определяется чувствительностью схемы сравнения (компаратора). Параметры компаратора оказывают влияние на основные показатели: быстродействие, энергопотребление, занимаемую площадь кристалла.

Быстродействие группы АЦП последовательного действия можно повысить ускоренным формированием цифрового кода и соответствующих ему уровней напряжения. Наиболее распространены АЦП с поразрядным уравновешиванием, в основе работы которых лежит принцип последовательного сравнения измеряемой величины с половиной U_оп/2, четвертой U_оп/4, восьмой U_оп/8 и т. д. частями эталонного напряжения. Очевидно, что для выполнения преобразования необходимо n эталонных уровней напряжения (n – разрядность АЦП).

Увеличение быстродействия в таком АЦП по сравнению с “развертывающим” получается за счет аппаратного усложнения схемы, дополнительно содержащей достаточно сложное устройство управления (УУ) и регистры Рг1 сдвига и Рг2 памяти (рис. 13.17).

Рис.13.17. Структура последовательного АЦП поразрядного взвешивания

По команде «Пуск» устройство управления передаёт первый импульс генератора ГИ в младший разряд регистра сдвига Рг1 и одновременно в старший разряд регистра памяти Рг2, на выходе которого устанавливается код 1000. Этому коду соответствует на выходе ЦАП напряжение U_э1= U_оп/2, которое сравнивается с входным сигналом. Если U_х > U_э1 на выходе компаратора будет нулевой уровень U_в = U ⁰ и старший разряд регистра памяти сохранит единичное значение. В противоположном случае, т.е. при U_х < U_э1 получим U_в = U ¹ и соответствующий разряд Рг2 будет сброшен в нуль.

Следующий импульс генератора ГИ осуществит сдвиг на один разряд единицы, записанной в Рг1, что приведёт к записи единицы в (N-1) разряд Рг2. Соответствующее новому входному коду эталонное напряжение ЦАП U_э2= U_оп/4 сравнивается с входным и через устройство управления формирует команду оставления или сброса соответствующего разряда числа.

Время преобразования определяется n циклами сравнения . Выигрыш по сравнению с развертывающим процессом составит 2ⁿ/n , что существенно меньше, при большой разрядности преобразователя.

АЦП со следящим режимом работы можно получить на основе развертывающего преобразователя (рис.13.16,а) заменой суммирующего счетчика реверсивным с подключением выхода компаратора к входу переключения направления счета. Начало преобразования (вхождение в режим слежения до первого срабатывания компаратора) повторяет процедуру развертывающего преобразователя. Далее переключение компаратора будет происходить только при отклонении входного напряжения от выходного напряжения ЦАП не менее, чем на один квант.

Наиболее простую структуру АЦП счета (без ЦАП) имеет прибор с непрерывным линейно нарастающим уровнем эталонного напряжения. Она содержит генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), реализованный на базе конденсатора, источника тока и транзисторного ключа, генератор импульсов (ГИ) и суммирующий двоичный счетчик СТ (рис.13.18,а).

Рис.13.18. Структура АЦП непосредственного счета (а) и диаграммы работы (б)

Процесс преобразования значения U_х в выходной код начинается с приходом в момент t₁ запускающего импульса «Пуск», который устанавливает в единичное состояние триггер Т (рис.13.18,б). При этом транзистор VT запирается и начинается заряд стабильным током конденсатора С. Напряжение на входе компаратора растет по линейному закону u_л = Jt/C. Счетчик начинает подсчет вырабатываемых генератором импульсов стабильной частоты f. При достижении уровня U_л(t₂)=U_х срабатывает схема сравнения и сбрасывает триггер Т в нулевое состояние, что приводит к прекращению счета, сбросу показаний счетчика, отпиранию транзистора VT и разряду конденсатора С. Число зафиксированных счетчиком импульсов пропорционально значению входного напряжения.

Для получения высокой точности преобразования, зависящей от характеристик ГЛИН, компаратора, ГИ, необходимо применение прецизионных элементов (конденсатора, источника тока) и обеспечения стабильности работы узлов. Благодаря простоте реализации ЦАП с приведенной структурой находит применение в контрольно управляющих устройствах, построенных на типовых элементах (ОУ, счетчиках).

Используется также разновидность АЦП непосредственного счета, основанный на интегрировании преобразуемого сигнала u_вх(t). Если на интервале преобразования входное напряжение можно считать неизменным u_вх(t) = U_х, то напряжение на выходе интегратора изменяется по линейному закону u_и(t) = U_х t /Т_и . Сравнение нарастающего напряжения с эталонным уровнем U_оп с помощью компаратора и управление выходным импульсом продолжительностью работы счетчика приводит к его показанию , зависящего от опорного напряжения, частоты генератора и постоянной интегрирования.

Особенностью рассмотренных АЦП счета является использование процедуры интегрирования эталонного или входного сигналов, и приборы такого типа относят к группе интегрирующих АЦП. Схема приведённого АЦП с однотактным интегрированием достаточно проста, но обеспечение высокой точности связано с весьма жёсткими требованиями к частоте генератора импульсов, стабильности параметров интегратора, схемы сравнения (компаратора) и источника опорного напряжения.

Лучшими характеристиками обладает АЦП, работающий по принципу двухтактного (двухстадийного) интегрирования. Структура АЦП содержит интегратор на ОУ, генератор импульсов стабильной частоты, компаратор, счётчик и схему управления (рис.13.19,а).

Рис.13.19. Структура АЦП двойного интегрирования (а) и диаграммы работы (б)

Преобразование аналогового напряжения содержит две стадии. Вначале производится интегрирование входного сигнала за фиксированный интервал времени t_и (рис.13.19,б). Процесс преобразования начинается с поступления команды «Пуск», которая устанавливает счетчик в нулевое состояние и переводит переключатель К в положение, при котором на вход интегратора поступает u_х. В качестве таймера используется счетчик емкостью N, на вход которого поступают импульсы стабильной частоты f с генератора ГИ. В момент полного заполнения счетчика t₀ = N/ f импульс с его выхода переключает ключ К в нижнее положение и к входу интегратора подключается источник стабильного опорного напряжения U_оп. На втором этапе напряжение на выходе интегратора, достигшее в момент t₀ значения U_m уменьшается по закону u_и(t) = U_m – U_опt/(RC) вследствие противоположной полярности входного и опорного напряжений. Конденсатор будет разряжаться до достижения нулевого уровня срабатывания компаратора, выходной импульс которого в момент t₁ остановит счет импульсов. Счетчик зафиксирует код D, отражающий число M поступивших импульсов за интервал Δt = t₁ –t₀.

Характеристику преобразования можно получить на основе равенства заряда , приобретенного конденсатором под действием среднего значения напряжения за интервал t₀, т. е. U_ср, и удалённого заряда за время Δt заряда . Условие равенства нулю напряжения в момент срабатывания схемы сравнения можно записать в форме равенства зарядов q₀ = q₁, из которого следует соотношение . Отличительной особенность метода является практическая независимость результата от постоянной интегрирования и вариации частоты импульсов генератора. Интегрирование за два такта приводит к увеличению времени преобразования, т.е. снижению быстродействия.

В измерительных системах высокой точности применяются усредняющие АЦП, принцип действия которых основан на уравновешивании напряжения или тока на входе интегратора за счет сигнала обратной связи.

Типичная схема АЦП содержит сигма-дельта модулятор, состоящий из каскадно-соединенных сумматора, интегратора, компаратора, генератора импульсов и триггера, а также цифровой преобразователь с усредняющим фильтром (рис.13.20,а).

Рис.13.20. Структура сигма-дельта АЦП (а) и диаграммы работы (б)

Основными элементами сигма-дельта модулятора, определяющими его название, являются сумматор, для которого используется обозначение операции Σ (сигма), и интегратор с обозначением операции (дельта).

Усреднение позволяет обеспечить малую погрешность преобразования и получить высокую помехоустойчивость прибора за счет усреднения напряжения помех за длительный временной промежуток.

Принцип действия приведенного преобразователя основан компенсации входного сигнала u_х опорным напряжением U_оп, периодически подключаемым к входу сумматора (вычитателя). Знак подаваемого опорного напряжения определяется состоянием RS триггера, установочный вход которого соединен с выходом компаратора, имеющего нулевой уровень срабатывания. При единичном сигнале на выходе компаратора триггер переключается в единичное состояние и сигнал u_к = U ¹ устанавливает переключатель К в вернее положение, при котором напряжение обратной связи u_ос = +U_оп. Если триггер находится в нулевом состоянии, то получим напряжение обратной связи противоположного знака u_ос = –U_оп.

Цикл преобразования начинается с прихода команды «Пуск», напряжение которой сбрасывает триггер в нулевое состояние, обнуляет выходное напряжение интегратора u_Δ = 0 и запускает генератор, выдающий с периодом Т тактовые импульсы. Начинается процесс интегрирования входного напряжения и за первый такт напряжение на выходе интегратора с постоянной интегрирования Т_и достигает значения u_Δ (Т) = u_хТ/Т_и, т. к. сигнал обратной связи подается с задержкой на один такт.

Процессы в узлах АЦП целесообразно рассмотреть на конкретном примере преобразования постоянного напряжения U_х = 0,4 В. Для упрощения записи удобно принять U_оп = 1 В и выбрать Т/Т_и = 1. Тогда в конце первого такта t = Т на выходе интегратора будет напряжение u_Δ (Т) = 0,4 В, переводящее компаратор в единичное состояние и установку на выходе триггера u_к = U ¹, что приводит к положению ключа К, которое подключает к инвертирующему входу сумматора напряжение u_ос(Т) = U_оп = 1 В. В течение следующего такта Т < t < 2Т на входе интегратора действует напряжение u_Σ = U_х – U_оп = – 0,6 В, которое на выходе интегратора в момент t = 2Т создает напряжение u_Δ (2Т) = – 0,2 В, которое при приходе тактирующего импульса переводит компаратор в нулевое состояние. Триггер переходит в нулевое состояние и переключает ключ К в положение, обеспечивающее u_ос(Т) = – U_оп = – 1 В.

Продолжая вычисления подобным образом несложно построить зависимости от времени напряжений u_Σ, u_Δ, u_ос (рис.13.20,б). Анализируя график u_Δ(t) можно выявить участок Т < t < 11Т, с совпадающими начальным и конечным значениями, который далее повторяется с периодом Т_п. интервал времени. Усреднение компенсирующего напряжения u_ос за период цикла Т_п дает значение входного сигнала

.

Нахождение цикла преобразования позволяет записать последовательность переключений ключа К, приводящую в среднем к компенсации входного сигнала. Переключениями ключа управляет последовательность двоичных выходных сигналов триггера, отображающая код, эквивалентный преобразуемому напряжению. Цифровой преобразователь должен выделить фиксированный цикл преобразования и перевести последовательность импульсов с выхода триггера в позиционный двоичный код. Обычно используется усреднение результатов за достаточно длительный интервал времени цифровым фильтром нижних частот высокого порядка. Применение ЦФ с конечной длительностью импульсной характеристики приводит к возникновению переходных процессов при изменении входного сигнала, что снижает быстродействие АЦП.

Преобразователь обеспечивает хорошую линейность выходной характеристики и высокую разрешающую способность благодаря небольшому уровню входного сигнала интегратора. Усреднение результатов измерения на достаточно большом интервале времени существенно снижает влияние случайных помех. На основе сигма-дельта преобразователей выпускаются АЦП большой разрядности (от 18 до 24 разрядов).

Приведённый принцип преобразования может быть реализован на базе коммутируемого конденсатора, периодически подключаемого к источнику стабильного эталонного напряжения с последующим разрядом на суммирующую точку. Интегратор также реализуется на основе переключаемых конденсаторов. При этом АЦП полностью выполняется по МОП технологии и на кристалле вместе с сигма-дельта преобразователем расположен цифровой ФНЧ, программно-управляемый усилитель и устройство управления. Такие АЦП обладают развитой цифровой частью, включающее микроконтроллер, что дает возможность реализовать режимы автоматической установки нуля, калибровки полной шкалы, управления входным усилителем и фильтром.

Разработка и выпуск недорогих микропроцессоров внесли коррективы в принципы построения АЦП, в которых функции управляющего устройства практически полностью перешли к микропроцессору, что позволило существенно улучшить гибкость системы управления и непосредственно реализовать различные виды АЦП.

В составе простых измерительных блоков нашли применение АЦП с широтно-импульсным модулятором (рис. 13.21,а).

Рис.13.21. Структуры АЦП на микропроцессоре с ШИМ (а) и развертывающего (б)

Запуск модулятора и подсчет числа импульсов на выходе схемы совпадения осуществляет непосредственно микропроцессор. Длительность импульса, открывающего схему совпадения, пропорционально входному сигналу u_х и число синхроимпульсов, прошедших на вход МП отражает значение преобразуемого напряжения. При необходимости можно на выходе схемы совпадения установить счетчик с регистром и вводить в МП цифровой код. Погрешность преобразования определяется характеристикой модулятора и стабильностью частоты тактовых импульсов.

Применение ЦАП на входе микропроцессора позволяет достаточно просто и эффективно реализовать АЦП развертывающего преобразования (рис. 13.21,б). Процедуру преобразования можно задавать программным способом. АЦП такого типа обычно применяются в высокоскоростных системах преобразования сигналов. Точность преобразования определяется параметрами ЦАП и может быть достаточно высокой.

    Важную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с микроконтроллером или ЭВМ. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к цифровому процессору, и его свойства непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

    Для процессора АЦП является адресуемым устройством и обращение к нему осуществляется как к одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается непосредственно к шинам адреса и данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

    Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессорами, называемое программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами.

    Способ проверки сигнала преобразования состоит в том, что команда начала преобразования "Пуск" периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преобразования "Готов", после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор - ведомого (slave). Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.

   При способе простого прерывания, выдав команду "Пуск", процессор продолжает работу по основной программе. После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает в процессоре вычисления и включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемый АЦП работает медленно. Если же АЦП быстродействующий, то этот способ работы может оказаться даже медленнее предыдущего, так как на обработку прерывания требуется значительное время.

В режиме прямого доступа к памяти также используется прерывание, но в отличие от предыдущих двух способов, управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, который и производит перезапись данных преобразования в память, минуя регистры процессора. Это позволяет сократить длительность прерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся адресном регистре интерфейса. Для этой цели служит контроллер прямого доступа к памяти.

    В зависимости от способа пересылки выходного слова из АЦП в цифровой приемник различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами выходных данных. Последовательный интерфейс медленнее параллельного, однако он позволяет осуществить связь с цифровым приемником значительно меньшим количеством линий и в несколько раз сократить число выводов ИМС.