 |
Фотоэлектрические преобразователи 7 глава
|
|
|
|
Это позволяет классифицировать метод поразрядного уравно- вешивания как параллельно-последовательный (рис. 5.2).
xk
X
х*
X01
xk
X01
t
Рис. 5.2. Метод поразрядного уравновешивания
Множество значений квантов {x0i} может быть выбрано до- статочно произвольно, как и сам алгоритм их ввода в процессе сравнения. АЦ-преобразование позволяет получить существен- ный выигрыш по быстродействию (до 105-106преобразований в секунду). Статическая погрешность мала, что позволяет реализо- вать разрешающую способность до 16 двоичных разрядов. Время преобразования здесь также зависит от входного сигнала, т.е. яв- ляется переменным.
Метод одновременного считывания
Здесь реализуется взаимооднозначное соответствие между множеством {x0i} квантов сравнения и ожидаемым множеством дискретных значений входной непрерывной величины х *. Дру-
гими словами, происходит одновременное сравнение измеряемой величины х * Î [ x min, x max] с набором мер x 0i, значения которых подобраны в соответствии с определенным правилом. Выходной
код образуется по номеру ближайшего значения x 0i.Таким обра- зом, «одновременность» метода означает параллельность вклю- чения всех квантов x 0i в процессе сравнения. Этот метод полно- стью параллельный (рис. 5.3). Он позволяет достигать частот преобразования 100 – 200 МГц.
X
X0i+2
х*
X0i+1
X0i
X02
X01
t
Рис. 5.3. Метод одновременного считывания
Точность метода и его разрешающая способность, т. е. объем множества мер {x0i}, сильно зависят от достигнутого уровня тех- нологии производства.
В последнее время получили распространение гибридные ме- тоды АЦ-преобразования на основе сочетаний методов считыва- ния и поразрядного уравновешивания.
|
|
|
Существуют и другие типы АЦП: логарифмические, адаптив- ные, дифференциальные, многофазной дискретизации, комбини- рованные.
Основную часть АЦП общего применения выполняют по ар- хитектуре последовательного приближения, которая является наилучшей для построения многоразрядных АЦП со средним быстродействием. Статическая погрешность в данном случае
определяется используемым ЦАП и может быть очень малой, что дает возможность получить высокую разрешающую способность. Более скоростные АЦП используют архитектуру параллельно- последовательную, в частности, двухступенчатую, состоящую из двух параллельных АЦП, сумма разрядности которых равна тре- буемой. Такие АЦП используют устройства выборки-хранения (УВХ), поскольку необходимо поддерживать постоянным вход-
ное напряжение в течение всего процесса преобразования.
По отношению к АЦП различают интерфейсы:
· АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных;
· АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных;
· последовательный интерфейс сигма-дельта АЦП.
5.3. Построение АЦП
Предлагая обзор методов построения АЦП, отметим, что каж- дый тип архитектуры аналого-цифровых преобразователей имеет свои достоинства и недостатки.
Параллельные АЦП. Большинство высокоскоростных прило- жений используют параллельные АЦП из-за их высокой частоты преобразования, которая может достигать 3-5 ГГц и вплоть до 5 ГГц. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разря- дов, но встречаются также 10-разрядные версии.
Параллельные АЦП работают по простому принципу: все раз- ряды выходного кода вычисляются в них одновременно, т.е. па- раллельно. Аналоговый сигнал конвертируют с помощью линей- ки быстродействующих компараторов, а опорное напряжение на каждый из них подается с делителя напряжения. Полученный результат кодируется с помощью шифратора. Для улучшения точности преобразования используют УВХ с полосой пропуска- ния более 2 ГГц. Время преобразования незначительно зависит от
|
|
|
величины конвертируемого сигнала). Поэтому такие АЦП явля- ются самыми скоростными преобразователями (время задержки прохождения сигнала менее 1 нс).
Основные особенности параллельных АЦП:
· высокое быстродействие;
· незначительная зависимость времени преобразования от ве- личины входного сигнала;
· необходимость 2 N -1 компараторов для реализации N -
разрядного АЦП;
· сравнительно малое число (8-10) двоичных разрядов;
· большое энергопотребление скоростных компараторов;
· зависимость входной ѐмкости АЦП от напряжения на входе, поскольку входная ѐмкость компаратора является функцией его логического состояния, что снижает точность преобразования с увеличением частоты входного сигнала;
· низкая помехозащищѐнность;
· большой размер кристалла и дорогая схема. Последовательные АЦП переводят аналоговый сигнал в циф-
ровой последовательно от младшего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП.
Разновидностью АЦП последовательного типа является АЦП последовательного приближения. Это самый распространѐнный способ преобразования, когда необходима разрядность 12/14/16 бит и не требуется высокой скорости преобразования, а опреде- ляющими факторами являются невысокая цена и низкое энерго- потребление. В настоящий момент такие АЦП позволяют изме- рять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискре- тизации до 1 МГц.
В основе их работы лежит принцип дихотомии – последова- тельного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8.... от ее
возможного максимального значения. Это позволяет для N - разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за N итераций и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, при N =10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет по- лучить с помощью таких АЦП до 106 преобразований в секунду.
Такой АЦП содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. На каждом шаге пре- образования определяется по 1 бит искомого цифрового значе- ния, начиная от старшего значащего разряда (СЗР) и заканчивая младшим значащим разрядом (МЗР).
|
|
|
Метод последовательного приближения состоит в постепен- ном пошаговом накоплении в регистре выходных данных двоич- ного кодового слова, соответствующего соотношению входного напряжения и опорного напряжения. Цикл преобразования начи- нается с фиксации уровня входного аналогового напряжения в УВХ, а затем преобразователь начинает формировать содержи- мое регистра:
· в первом такте входной сигнал сравнивается с половиной опорного напряжения;
· если входной сигнал меньше половины опорного напряже- ния, то на следующем такте он сравнивается с четвертью опорно- го напряжения (т.е. половина опорного напряжения уменьшается на четверть); одновременно в РПП записывается старший разряд выходного кода, равный нулю;
· если же входной сигнал больше половины опорного напря- жения, то на втором такте он сравнивается с 3/4 опорного напря- жения (т.е. половина увеличивается на четверть); одновременно в РПП записывается старший разряд выходного кода, равный еди- нице;
· затем эта последовательность сравнений повторяется нужное число раз с уменьшением на каждом такте вдвое ступени измене-
ния эталонного напряжения (на третьем такте – 1/8 опорного напряжения, на четвертом – 1/16 и т.д.). В последнем такте вы- числяется младший разряд.
Аналого-цифровые преобразователи этого типа обладают од- новременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии УВХ погрешность зависит от входного сигнала (является переменной), поэтому все современные АЦП данного типа имеют встроенные УВХ. Данный способ построения АЦП имеет по сравнению с параллельными и интегрирующими АЦП достаточно высокую частоту преобразования (до нескольких МГц) и точность до 8-18 разрядов. К н е д о с т а т к а м данного метода относится большая чувствительность к импульсным по- мехам.
Д о с т о и н с т в а м и таких АЦП являются хорошее согласо- вание по времени измерения с применяемыми процессорами, не- высокая стоимость и сложность, простота в применении, отсут- ствие потоковой (конвейерной) задержки.
|
|
|
Для 12-разрядного АЦП минимальный интервал между отсче- тами составляет 10 мкс. На практике доступны 16-разрядные АЦП на частоту 3 МГц и 18-разрядные преобразо- ватели на 2 МГц.
АЦП последовательного счета является АЦП с единичными приближениями. Он состоит из компаратора, счетчика и ЦАП. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи с ЦАП: эталонное напряжение, ступенчато изменяющееся во времени. Входное напряжение последовательно сравнивается одним компаратором с несколькими эталонными уровнями напряжения, и в зависимости от результатов этого сравнения формируется выходной код. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи не сравняется с входным напряжением и переключится компаратор,
который своим выходным сигналом прекратит поступление так- товых импульсов на счетчик. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, счи- тывается с выхода счетчика.
Время преобразования таких АЦП является переменным и определяется входным напряжением.
Так, при N = 10 и fпр = 1 МГц, максимальное время преобразо- вания равно 1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.
Статическая погрешность этого типа преобразователей, опре- деляемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способ- ность до 20 двоичных разрядов.
Особенностью АЦП последовательного счета является не- большая частота дискретизации, достигающая нескольких кило- герц. Д о с т о и н с т в а АЦП данного класса – сравнительная простота построения, определяемая последовательным характе- ром выполнения процесса преобразования.
Принцип преобразования АЦП следящего типа основан на не- прерывном слежении с помощью реверсивного счѐтчика. Код, вырабатываемый счѐтчиком, преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с помощью компаратора. Результат сравнения управляет инкрементированием или декрементированием кода.
Н е д о с т а т к о м последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования.
В интегрирующих АЦП входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временном интервале, дли- тельность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродей- ствие таких АЦП.
Интегрирующие преобразователи имеют высокую разрешаю- щую способность – до 18 разрядов, но скорость преобразования – от нескольких сотен герц до нескольких килогерц.
|
|
|
Интегрирующий АЦП содержат генератор пилообразного напряжения, компаратор и счѐтчик времени. Пилообразный сиг- нал линейно нарастает до некоторого уровня, затем быстро спа- дает до нуля. В момент начала нарастания запускается счѐтчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счѐтчик; зна- чение считывается со счѐтчика и подаѐтся на выход АЦП.
Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простей- шие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам.
Двухтактный интегрирующий АЦП сочетает в себе высокое разрешение и высокое помехоподавление. Идея преобразования в таком интегрирующем АЦП гораздо менее сложна, чем в сигма- дельта АЦП. Он содержит генератор стабильного тока (ГСТ), компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счѐтчик им- пульсов.
При двухстадийном интегрировании преобразование прохо- дит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета. На пер- вом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаѐтся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. По прошествии этого времени вход интегратора отключается от вхо- да АЦП и подключается к ГСТ. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не умень- шится до нуля. Время разряда измеряется путѐм счѐта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого
заряда на интеграторе. Посчитанное число тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. Число импульсов за время разряда:
n = kUвх/(RI0),
где Uвх – входное напряжение АЦП; R – сопротивление резисто- ра, преобразующего входное напряжение в ток; I0 – значение тока ГСТ.
Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Не д о с т а т к о м таких АЦП является низ- кая скорость преобразования. Дополнительным д о с т о и н- с т в о м является возможность построения АЦП, нечувствитель- ных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания), благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал.
Аналого-цифровые преобразователи двухтактного интегриро- вания имеют высокие точность и разрешающую способность, а также сравнительно простую структуру.
Разновидностью АЦП интегрирующего типа являются дельта- сигма и сигма-дельта АЦП. Принцип дельта-сигма АЦП основан на нейтрализации среднего входного тока с помощью источника тока или заряда. Входное напряжение поступает на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением. В зависимости от выходного сигнала компаратора импульсы тока фиксированной длительности подключаются либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддержи- вать нулевой средний ток на суммирующем входе – принцип уравновешивания. Счѐтчик отслеживает число импульсов под- ключения в постоянный промежуток времени. Число подключе- ний будет пропорционально среднему входному уровню.
Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую спо- собность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преоб- разования. Так, при 16 разрядах можно получить частоту дискре-
тизации до 100 кГц, а при 24 разрядах эта частота составляет 2-3 кГц. При разрешении 12-16 разрядов имеют полосу частот до 1 МГц. Этот тип АЦП имеет самую высокую разрешающую спо- собность. Отметим, что с увеличением частоты преобразования понижается разрешающая способность.
Сравнительные характеристики АЦП различной архитек- туры
· Параллельная архитектура обеспечивает максимально высо- кую частоту выборки – до 3-4 ГГц при разрядности до 12 бит. При этом АЦП имеют высокие быстродействие и стоимость, большое потребление и очень низкую латентность (задержку). Технология: биполярная и КМОП.
· Конвеерная архитектура позволяет АЦП работать на часто- тах дискретизации до 0,5 ГГи при разрядности 16 бит. Такие АЦП имеют высокое быстродействие и среднюю стоимость, среднее потребление и низкую латентность. Технология: бипо- лярная и КМОП.
· АЦП поразрядного уравновешивания работают на частотах до 50 МГц при 18 разрядах. Они имеют простое управление и среднюю стоимость, малое потребление и низкую латентность. Технология: КМОП.
· Сигма-дельта АЦП обеспечивают частоты выборки до 10 МГц при 24 разрядах преобразования. Они имеют высокие разрешение и линейность, малое потребление и низкую стои- мость, высокую латентность. Технология: КМОП.
Параметры АЦП и режимы их работы
Обычно параметры АЦП делят на статические, характеризу- ющие величины входных и выходных сигналов, разрешающую способность, погрешность преобразования постоянного напря- жения, температурную нестабильность и др., и на динамические,
определяющие максимальную частоту и время преобразования, шумовые и др.
Существенную роль также играют конструктивные парамет- ры АЦП: архитектура, число каналов, тип выходного интерфейса, наличие внутреннего тактового генератора и источника опорного напряжения, варианты исполнения корпуса.
Частота дискретизации (Speed, Sample Rate) (МГц) или ча- стота квантования, выборки (максимальная и минимальная). В процессе дискретизации аналогового сигнала в цифровой проис- ходит замер амплитуды сигнала и его величина записывается в числовой двоичной форме. Частота, с которой совершаются такие замеры, является частотой дискретизации. Максимальная частота выборки определяет наибольшую частоту, с которой происходит образование выборочных значений сигнала и при которой пара- метры АЦП не выходят из заданных пределов.
Разрядность (Resolution) (бит) – число разрядов, равное n, ко- торое определяет максимальное число кодовых комбинаций на выходе АЦП и характеризует достижимую точность преобразо- вания.
Разрядность определяет число дискретных значений, которые АЦП может выдать на выходе. Так, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (от 0 до 255), имеет разрядность 8 бит, по- скольку 28 = 256.
Разрядность (разрешение) может быть также определена в терминах входного сигнала и выражена, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соот- ветствующих максимальному и минимальному выходному коду, делѐнной на число выходных дискретных значений. Например, полагая диапазон входных значений от 0 до 10 В и разрядность 12 бит (2'2= 4096 уровней квантования), получим разрешение по напряжению (10—0)/4096 = 0,00244 В = - 2,44 мВ.
Разрешающая способность – величина, обратная максималь- ному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет раз- решающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, что соответствует уровню -72,2 дБ.
Полоса пропускания входных аналоговых сигналов (Band- width, Full-Power Bandwidth) (МГц) определяет диапазон частот (по уровню -3 дБ), в котором обеспечивается дискретизация сиг- налов по полной мощности. Результирующее быстродействие всего тракта характеризуется шириной полосы полной мощности. Число каналов (# Channels) – число входных каналов анало-
гового сигнала, по которым осуществляется преобразование.
Диапазон напряжений входного сигнала (Input Voltage, Kin) (В).
Максимальная потребляемая или рассеиваемая мощность
(Power, Dissipation) (Вт, мВт).
Напряжение питания (В) – минимальное (Min Supply Voltage) и максимальное (Max Supply Voltage).
Диапазон рабочих температур (Тminи Tmax) (градус). Принята следующая система обозначения температурных диапазонов:
С (Commercial) – от 0 до 70°, I (Industiral) – от -25 или -40 до 85°С и М (Military) – от -55 до 125°С.
Отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio - SNR) (дБ) определяется как:
SNR = 20 lg(1/ fttнест),
где ƒt, – тактовая частота преобразования; t нест – нестабильность АЦП.
SNR равно отношению среднеквадратического значения вход- ного сигнала к среднеквадратическому значению шума, который определяется суммой всех остальных спектральных компонент,
включая гармоники, но исключая постоянную составляющую для входного сигнала (-1 дБ) полной шкалы. Для идеального АЦП:
SNR = 6.02N + 1,76 дБ.
Суммарный коэффициент гармоник (Total Harmonic Distor- tion – THD) (дБ) – полные гармонические искажения. Нелиней- ность в результатах преобразования данных приводит к появле- нию гармонических искажений, которые представляют собой вы- бросы в спектре частот на четных и нечетных гармониках изме- ряемого сигнала. THD представляет собой коэффициент гармо- нических искажений, характеризующий уровень шумов и нели- нейных искажений.
Эффективное число разрядов (Effective Number of Bits – ENOB) (бит) – число двоичных разрядов, которыми реальный АЦП может представить входной сигнал.
Динамический диапазон (Input Dynamic Range Full Scale – DR, Full-Power Bandwidth – FPBW) (дБ) – входной динамический диапазон, определяемый как отношение наибольшего к наименьшему возможным сигналам, которые могут быть разре- шены АЦП.
Эффективная полоса частот входного сигнала (Effective Resolution Bandwidth – ERB) – максимальная частота входного сигнала, на котором значение SINAD уменьшается на 3 дБ или ENOB – на 0,5 МЗР.
Время преобразования определяет интервал времени, требу- емый для полного измерения, проводимого АЦП или отсчитыва- емый от начала импульса дискретизации или начала преобразо- вания до появления на выходе устойчивого кода, соответствую- щего данной выборке.
Дифференциальная нелинейность (Differential Non-Linearity
– DNL), МЗР (LSB) или % характеризует разность напряжений между данным и средним значением кванта преобразования.
Дифференциальная нелинейность не всегда упоминается как ключевой параметр АЦП, хотя DNL показывает, как изменение входного аналогового сигнала преобразовывается в единицу младшего значащего разряда, другими словами, на какую вели- чину изменится сигнал при очередном изменении выходного ко- да на единицу МЗР.
Абсолютная погрешность – максимальное отклонение меж- ду идеальной прямолинейной и реальной передаточными функ- циями, в том числе внутри интервалов квантования. Минималь- ная абсолютная погрешность, таким образом, равна погрешности квантования 1/2 МЗР.
Температурная нестабильность характеризует температур- ные коэффициенты погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля. Так, для поддержания точности 12-разрядного АЦП в расширенном температурном диапазоне (от минус 40 до 85°С) дрейф не должен превышать 4 ppm/°С, что трудно осуществимо. Если ослабить требования ростом темпера- туры в 10°, то дрейф напряжения ИОН не может быть более 25 ppm/°С.
Контрольные вопросы
1. Аналого-цифровое преобразование, его назначение и основные технические характеристики АЦП.
2. Приведите классификацию АЦП по методам преобразования.
3. Дайте сравнительные характеристики АЦП различной архитектуры.
4. Охарактеризуйте метод последовательного счета.
5. Охарактеризуйте метод поразрядного уравновешивания.
6. Охарактеризуйте метод одновременного считывания.
7. Что представляет собой сигма-дельта АЦП?
8. Охарактеризуйте АЦП последовательного счета.
9. Перечислите основные параметры АЦП.
ГЛАВА 6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ
|
|
|
