Аналого-цифровые преобразователи

Виды аналого-цифровых преобразоваталей и их особенности. Аналого-циф­ровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопро­тивления, емкости и др.) в цифровой код. Наиболее часто входной величиной является напряжение. Все другие величины перед подачей на такой АЦП нужно предварительно преобразовывать в напряжение. Однако на практике находят применение также преобразователи, например, сопротивления или емкости в циф­ровой код без промежуточного преобразования в напряжение. Обычно это по­зволяет уменьшить погрешность преобразования, но усложняет проектирование преобразователя и его изготовление. Последнее объясняется тем, что серийные промышленные микросхемы АЦП предназначены только для работы с напряже­нием. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только преобразователи напря­жения в цифровой код.

В общем случае напряжение характеризуется его мгновенным значением u{t). Однако для оценки напряжения можно также пользоваться его средним за вы­бранный промежуток времени Т значением:

В связи с этим все типы АЦП можно разделить на две группы: АЦП мгновен­ных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения. Так как опера­ция усреднения предполагает интегрирование мгновенного значения напряжения, то АЦП средних значений часто называют интегрирующими.

При преобразовании напряжения в цифровой код используются три независи­мых операции: дискретизация, квантование и кодирование. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразо­вание непрерывной функции напряжения u(t) в последовательность чисел u(t_n), где и = 0,1,2..., отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция u(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов и(/„), как показано на рис. 23.1 а.

Вторая операция, называемая квантованием, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функ­ция u(t) принимает вид ступенчатой кривой u_K(t) показанной на рис. 26.2,

 

Рис. 112 Процесс дискретизации (а) и квантования (б) непрерывного сигнала u(t)/

 

Третья операция, называемая кодированием, представляет дискретные кван­тованные величины в виде цифрового кода, т. е. последовательности цифр, под­чиненных определенному закону. С помощью операции кодирования осуществля­ется условное представление численного значения величины.

В основе дискретизации сигналов лежит принципиальная возможность пред­ставления их в виде взвешенных сумм:

где а„ — некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени, /„(?) — набор элементарных функций, используемых при восстановления сигнала по его отсчетам.

Дискретизация бывает равномерная и неравномерная. При равномерной дис­кретизации период отсчетов Т остается постоянным, а при неравномерной — период может изменяться. Неравномерная дискретизация чаще всего обусловлена скоростью изменения сигнала и потому называется адаптивной.

Рис. 113. Характеристика идеального квантования (а) и б) график изменения погрешности квантования (б((б)

В основе равномерной дискретизации лежит теорема отсчетов, согласно кото­рой в качестве коэффициентов а„ нужно использовать мгновенные значения сигнала u{t,,) в дискретные моменты времени t_n=Tn, а период диокретизации

выбирать из условия T=(2f_m) ', где/„, — максимальная частота в-спектре исходно­го сигнала.

Для сигналов с ограниченным спектром теорема отсчетов имеет вид

и называется формулой Котельникова.

При дискретизации сигнала появляется погрешность, обусловленная конеч­ным временем одного преобразования и неопределенностью момента времени его окончания. В результате вместо равномерной дискретизации получаем дискрети­зацию с переменным периодом. Такая погрешность называется апертурной. Если считать, что апертурная погрешность определяется скоростью изменения сигнала, то ее можно определить по формуле

Сравнивая период дискретизации, определенный по теореме отсчетов, с апер-турным временем, получим

Для гармонического сигнала u(t)-U_msinm максимальное значение апертур­ной погрешности получим при условии u\t)-U_m, т.е. при cosco/=l. Относитель­ная апертурная погрешность в этом случае будет иметь ддд

откуда следует, что для снижения апертурной погрешности приходится в л/5„ раз увеличивать частоту преобразования АЦП. Так, например, при дискретизации гармонического сигнала с частотой/„,= 10 кГц по теореме отсчетов достаточно иметь максимальную частоту АЦП F_m = 2/_m = 20 кГц, при погрешности 5_а = 10"², необходимо увеличить эту частоту до значения 2у_тл/8<, ⁼ 2О-1О³л/1О~^: = 6,ЗМГц.

В отличие от дискретизации, которая теоретически является обратимой опе­рацией, квантование представляет собой необратимое преобразование исходной последовательности и сопровождается появлением неизбежных погрешностей. Характеристика идеального квантователя приведена на рис. 26.2 а. При равномер­ном квантовании расстояние между двумя соседними значениями делается посто­янным, как показано на рис. 26.1 б. Разность между двумя соседними значениями квантованной величины называется шагом квантования /г.

По существу квантование представляет собой операцию округления непре­рывной величины до ближайшего целого значения. В результате максимальная погрешность квантования равна ±0,5/i (рис. 26.16). Однако при преобразовании

произвольного сигнала максимальная погрешность встречается сравнительно ред­ко, поэтому в большинстве случаев для оценки качества АЦП используют не макси­мальную, а среднеквадратическую погрешность <7_кв = /г/у'12, которая примерно в 3,5 раза меньше максимальной. В АЦП погрешность квантования определяется как единица младшего значащего разряда (ЕМР).

Выходной величиной АЦП является цифровой код, т. е. последовательность цифр, с помощью которой представляются дискретные кантованные величины. В АЦП используют четыре основных типа кодов: натуральный двоичный, деся­тичный, двоично-десятичный и код Грея. Кроме этого, АЦП, предназначенные для вывода информации в десятичном коде, выдают на своем выходе специализи­рованный код для управления семисегментными индикаторами.

где Ъ{ равны нулю или единице. При этом положительное число в двоичном коде имеет вид

Большинство АЦП работают с выходом в натуральном двоичном коде, при котором каждому положительному числу N ставится в соответствие

Такой код принято называть прямым: его крайний правый разряд является млад­шим, а крайний левый — старшим. Прямой код пригоден лишь для работы с однополярными сигналами. Полный диапазон преобразуемого сигнала равен 2", a JV_max = 2"-l.

Двоичные числа, используемые в АЦП, как правило нормализованы, т. е. их абсолютное значение не превышает единицы. Они представляют собой отношение входного сигнала к полному диапазону:

Если АЦП должен работать с двуполярными числами, то наиболее

часто ис­пользуют дополнительный код, который образуется вычитанием преобразуемо­го числа С из постоянной величины 2"⁺¹. Иначе говоря, находится дополнение до двух к числу С. Диапазон представления чисел в двоичном коде имеет значение от 2"'" до 1-2"'". Нуль имеет одно значение 000...0.

При использовании в АЦП двоично-десятичных кодов каждая значащая деся­тичная цифра представляется четырьмя двоичными знаками и содержит десять значений сигнала от 0 до 9. Так, например, десятичное число 10 можно предста­вить как 0001 0000, а число 99 можно представить в виде 1001 1001.

Так как при кодировании четырьмя двоичными знаками можно получить 16 кодовых значений, то приведенное двоично-десятичное представление не является единственным. Наиболее широко используют коды, в которых цифрам в тетрадах присваивают веса 8-4-2-1 или 2-4-2-1:

 

Основные характеристики АЦП. Любой АЦП является сложным электрон­ным устройством, которое может быть выполнено в виде одной интегральной микросхемы или содержать большое количество различных электронных компо­нентов. В связи с этим характеристики АЦП зависят не только от его построения, но и от характеристик элементов, которые входят в его состав. Тем не менее большинство АЦП оценивают по их основным метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим характеристикам АЦП относят: абсолютные значения и поляр­ности входных сигналов, входное сопротивление, значения и полярности выход­ных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжений и токов источников питания, количество двоичных или десятичных разрядов выходного кода, погрешности преобразования постоянного напряжения и др. К динамическим па­раметрам АЦП относят: время преобразования, максимальную частоту дискрети­зации, апертурное время, динамическую погрешность и др.

Рассмотрим некоторые из этих параметров более подробно. Основной харак­теристикой АЦП является его разрешающая способность, которую принято опре­делять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающую способность можно выражать в процентах, в количе­стве разрядов или в относительных единицах. Например. 10-разрядный АЦП име­ет разрешающую способность (1024)^ = 10~³ = 0,1%. Если напряжение шкалы для такого АЦП равно 10 В, то абсолютное значение разрешающей способности будет около 10 мВ.

Реальное значение разрешающей способности отличается от расчетного из-за погрешностей АЦП. Точность АЦП определяется значениями абсолютной погрешности, дифференциальной и интегральной нелинейности. Абсолютную по­грешность АЦП определяют в конечной точке характеристики преобразования, поэтому ее обычно называют погрешностью полной шкалы и измеряют в едини­цах младшего разряда.

Дифференциальную нелинейность (DNL) определяют через идентичность двух соседних приращений сигнала, т. е. как. разность напряжений двух соседних квантов: DNL=h_i-h_i+[. Определение дифференциальной нелинейности показано на рис. 26.3 а.

Интегральная нелинейность АЦП (INL) характеризует идентичность прираще­ний во всем диапазоне входного сигнала. Обычно ее определяют, как показано на рис. 26.3 б, по максимальному отклонению сглаженной характеристики преобра­зования от идеальной прямой линии, т. е. INL = u'_i-u_i.

Время преобразования Т_пр обычно определяют как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого кода входного сигна­ла. Для одних типов АЦП это время постоянное и не зависит от значения входно­го сигнала, для других АЦП это время зависит от значения входного сигнала. Если АЦП работает без устройства выборки и хранения, то время преобразова­ния является апертурным временем.

Максимальная частота дискретизации — его частота, с которой возможно преобразование входного сигнала, при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы.

Рис.114 Определение дифференциальной нелинейности (а) и интегральной нелинейности (б)

Иногда максимальную частоту преобразования принимают равной обратной величине времени преобразования. Однако это пригодно не для всех типов АЦП.

Принципы построения АЦП. Все типы используемых АЦП можно разделить по признаку измеряемого значения напряжения на две группы: АЦП мгновенных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения (интегрирующие АЦП). Вначале ознакомимся с АЦП, которые позволяют определять код мгновен­ного значения напряжения, а затем рассмотрим интегрирующие АЦП и особенно­сти их использования.

АЦП мгновенных значений можно разделить на следующие основные виды: пос­ледовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллель­но-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервал времени.

Структурная схема АЦП последовательного счета приведена на рис. 115аОна содержит компаратор, при помощи которого выполняется сравнение входно­го напряжения с напряжением обратной связи. На прямой вход компаратора поступает входной сигнал u_ВХ а на инвертирующий — напряжение u₅обратной связи. Работа преобразователя начинается с приходом импульса «ПУСК» от схе­мы управления (на рисунке она не показана), который замыкает ключ S. Через замкнутый ключ S импульсы u₁ от генератора тактовых импульсов поступают на счетчик, который управляет работой цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В результате последовательного увеличения выходного кода счетчика N происхо­дит последовательное ступенчатое увеличение выходного напряжения u₅ ЦАП. Питание ЦАП выполняется от источника опорного напряжения u₄-

Когда выходное напряжение ЦАП сравняется с входным напряжением, про­изойдет переключение компаратора и по его выходному сигналу «СТОП» ра­зомкнётся ключ S. В результате импульсы от генератора перестанут поступать на вход счетчика. Выходной код, соответствующий равенству и_м — и₅, снимается с выходного регистра счетчика.

Графики, иллюстрирующие процесс преобразования напряжения в цифровой код, приведены на рис.. Из этих графиков видно, что время преобразования

Рис.115 Структурная схема АЦП последовательного счета (а) и графики процесса преобразования (б)

переменное и зависит от уровня входного сигнала. При числе двоичных разрядов счетчика, равном п, и периоде следования счетных импульсов Т максимальное время преобразования можно определить по формуле:

Так, например, при «=10 разрядов и Г=1мкс (т.е. при тактовой частоте 1 МГц) максимальное время преобразования равно

7„_р = (2¹⁰-1) = 1024 мкс~ 1мс,

что обеспечивает максимальную частоту преобразования около 1 кГц.

Уравнение преобразования АЦП последовательного счета можно записать в виде:

где 0<к<п — число ступеней до момента сравнения, A=h — значение одной ступени, т. е. шаг квантования.

Структурная схема АЦП последовательного приближения приведена на рис.. По сравнению со схемой АЦП последовательного счета в ней сделано одно существенное изменение — вместо счетчика введен регистр последовательно­го приближения (РПП). Это изменило алгоритм уравновешивания и сократило время преобразования.

В основе работы АЦП с РПП лежит принцип дихотомии, т. е. последователь­ного сравнения преобразуемого напряжения u_ВХ с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. возможного максимального его значения U_m. Это позволяет для и-разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за п последовательных шагов приближения (ите­раций) вместо (2 ) при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии.

Рис. 116. Структурная схема АЦП последовательного приближения (а), графики процесса преобразования (б) и диаграмма последовательности переходов для трехразрядного АЦП (в)

График процесса преобразования АЦП с РПП показан на рис.116.

В качестве примера на рис.116б показана диаграмма переходов для трехраз­рядного АЦП последовательного приближения. Поскольку на каждом шаге про­изводится определение значения одного разряда, начиная со старшего, то такой АЦП часто называют АЦП поразрядного уравновешивания. При первом сравне­нии определяется — больше или меньше напряжение u_ВХ, чем U_т/2. На следующем шаге определяется, в какой четверти диапазона находится м_вх. Каждый последую­щий шаг вдвое сужает область возможного результата.

При каждом шаге сравнения компаратор формирует импульсы, соответствую­щие состоянию «больше-меньше» (1 или 0), управляющие регистром последова­тельных приближений.

Структурная схема параллельного АЦП приведена на рис.117. Преобразова­тель осуществляет одновременное квантование входного сигнала u_ВХ с помощью

Рис.117. Структурная схема параллельного АЦП

набора компараторов, включенных параллельно источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резистивного делителя в соответ­ствии с используемой шкалой квантования. При подаче на входы компараторов сигнала м_вх на их выходах получим квантованный сигнал, представленный в уни­тарном коде.

Для преобразования унитарного кода в двоичный (или двоично-десятичный) используют кодирующий преобразователь. При работе в двоичном коде все рези­сторы делителя имеют одинаковые сопротивления R. Время преобразования тако­го преобразователя составляет один такт, т. е. Т_пр=Т. Параллельные преобразова­тели являются в настоящее время самыми быстрыми и могут работать с частотой дискретизации свыше 100 МГц. Для получения более широкой полосы пропуска­ния компараторы обычно делают стробируемыми.

Делитель опорного напряжения представляет собой набор низкоомных резисторов с сопротивлением около 1 Ом. По выводу «Коррекция» возможно про­ведение коррекции напряжения смещения нулевого уровня на входе, а по выводу U_оп — абсолютной погрешности преобразования в конечной точке шкалы. Номи­нальные значения опорных напряжений имеют значения: U_оп1 =-0,075...0В, и U_оп2 =-2,1...-1,9В. Типовая задержка срабатывания компараторов около 7нс.

 

 

Интегральные микросхемы АЦП. В последнее время многие фирмы органи­зовали производство серийных интегральных микросхем АЦП, основанных на различных принципах и предназначенных для работы в устройствах сопряжения датчиков аналоговых сигналов с ЭВМ и микропроцессорами, в различных изме­рительных устройствах, мультиметрах, в медицинской аппаратуре, цифровых тер­мометрах и др. Наиболее крупными производителями АЦП в России являются заводы «Микрон» и «Сапфир», а за рубежом — компании Analog Devices (США), Micro power (США), Philips, Maxim, Sony и

Перечисленными фирмами и многими другими выпускается так много раз­личных микросхем АЦП, что трудно даже произвести их сравнение, тем более что многие фирмы используют собственную классификацию и приводят ряд нестан­дартных характеристик. Тем не менее некоторые выводы из рассмотрения выпус­каемых АЦП можно сделать.

.Прежде всего можно отметить, что резко увеличилась разрешающая способ­ность АЦП. Ряд фирм выпускает АЦП с разрешением до 24 двоичных разрядов (т. е. 1/16777216). Однако наиболее распространенными являются АЦП с разряд­ностью 8, 10, 12 и 16 разрядов.

Повысилось быстродействие серийных микросхем АЦП. Налажено производ­ство АЦП с максимальной частотой преобразования 20...50МГц. Такие АЦП используются при преобразовании видеосигналов в цифровую форму в цифровых телевизорах, видеомагнитофонах, видеомониторах и других устройствах. Одно­временно велось снижение потребляемой мощности. Так, например, 10-разрядный АЦП AD876 фирмы Analog Devices при максимальной частоте преобразования

 

20 МГц имеет потребляемую мощность всего 160 мВт и стоит около 10 долларов. Такой же по быстродействию параллельный АЦП К1107ПВ2 при 8-ми разрядах потребляет около 3 Вт.

В таблицах 26.1 и 26.2 приведены основные характеристики некоторых типов АЦП мгновенных значений и интегрирующих АЦП.

 

Таблица

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: