Аналогово цифровой преобразователь реферат
Обновлено: 05.07.2024
Аналого-цифровые преобразователи
Описание: Задача АЦП автоматически трансформировать бесконечное множество возможных значений входной аналоговой величины в конечное множество в ограниченный набор цифровых эквивалентов кодов. Разрядность АЦП его погрешности чувствительность быстродействие надежность в значительной мере определяют окончательную достоверность результатов измерения и регистрации возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом. В любом АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части В цифровой части производится кодирование сравнение.
Дата добавления: 2015-01-12
Размер файла: 503.8 KB
Работу скачали: 30 чел.
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
Наиболее важным и ответственным узлом любого цифрового средства измерений является аналого-цифровой преобразователь, поскольку именно он определяет основные метрологические характеристики и быст родействие всего прибора. Задача АЦП - автоматически транс формировать бесконечное множество возможных значений вход ной аналоговой величины в конечное множество (в ограниченный набор цифровых эквивалентов, кодов). Разрядность АЦП, его по грешности, чувствительность, быстродействие, надежность в зна чительной мере определяют окончательную достоверность резуль татов измерения и регистрации, возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом.
В любом АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части В цифровой части производится кодирование, сравнение, сдвиг, счет и сложение цифровой информации, прием и обработка команд на выполнение других логических функций. В аналоговой части выполняются операции сравнения, усиления, выборки и хранения, коммутации аналогового сигнала, а также операции по его сложению и вычитанию, делению и перемножению, интегрированию и выделению в промежуточную величину. Элементы, используемые при построении преобразователей, разделяются на цифровые (логические схемы, регистры сдвига, счетчики, компараторы напряжения, ключи и коммутаторы) и аналоговые. Электрические и эксплуатационные характеристики во многом зависят от характеристик этих элементов.
АЦП характеризуются точностью преобразования, временем преобразования (быстродействием), пределами изменения входной величины, чувствительностью (разрешающей способностью), формой представления входных и выходных величин, помехоустойчивостью.
Точность преобразования . По природе возникновения погрешность можно разделить на методическую и инструментальную. В АЦП методическая погрешность является следствием квантования непрерывной величины по уровню и дискретизации во времени. Замена аналоговой величины цифровым кодом всегда выполняется с погрешностью квантования, определяемой методом преобразования, и числом разрядов в выходном коде.
Неустранимая составляющая погрешности, не зависящая от величины х , называется аддитивной составляющей погрешности. Для ее снижения нужно уменьшать ступени квантования или шаг дискретизации.
При проектировании АЦП стремятся свести общую погрешность измерения к одной лишь методической погрешности квантования. Однако реальные АЦП вследствие неидеальности используемых элементов обладают соответствующей инструментальной погрешностью. Поэтому общая статическая погрешность АЦП равна сумме методической и инструментальной составляющих.
Для того, чтобы погрешность не выходила за пределы цены деления m младшего разряда, необходимо соблюдать условие
Относительная погрешность ЦИП может быть представлена выражением:
где с = в + а/ X к ; d = а/ X к коэффициенты, характеризующие класс точности прибора в конце и начале диапазона; X к конечное значение диапазона.
Время преобразования время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.
Порог чувствительности наименьшее различимое преобразователем изменение входной величины.
Формы представления входных и выходных величин . Наиболее распространенные формы входных величин АЦП напряжение или ток, временной интервал. Выходной код может выдаваться последовательно или параллельно.
Помехоустойчивость способность прибора снижать величины, которые действуют вместе с измеряемыми величинами и искажают результат измерения. Количественно помехоустойчивость характеризуется коэффициентом подавления помех К = 20 lg [ U п max / Δ U п ],
где U п max амплитудное значение помехи на входе прибора; Δ U п изменение результата преобразования, вызванное действием помехи.
Методы аналого-цифрового преобразования .
При построении цифрового измерительного оборудования при меняются различные методы и средства преобразования аналого вой величины в цифровую, отличающиеся метрологией, поме хозащищенностью, динамикой. Рассмотрим наиболее рас пространенные.
В цифровой измерительной технике достаточно широко приме няются АЦП:
- последовательного счета , при котором осуществляется последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной величиной (рис.10.1);
- поразрядного сравнения (кодоимпульсный, сравнения и вычитания), при котором происходит сравнение измеряемой величины с константой , изменяющей свое значение по заданной программе. Различают АЦП поразрядного уравновешивания (рис.10.2) и развертывающего уравновешивания (рис.10.3).
Один цикл преобразования входного измеряемого напряжения в методе поразрядного уравновешивания состоит из нескольких тактов (рис.10.2).
Уравновешивание выполняется с помощью автоматически изменяющегося компен cиpyющeгo напряжения. Процесс преобразования заключается в поочередном сравнении изменяющегося по определенному алго ритму компенсирующего напряжения с измеряемым . В соот ветствии с алгоритмом, напряжение целенаправленно стремится стать равным , т. е. уравновесить его. В течение нескольких тактов напряжение становится практически равным значению .
Та кое преобразование напоминает процедуру взвешивания, когда используя несколько разных гирь и подбирая (устанавливая или снимая) гири, начиная со старшей, т. е. уравновешивая, можно достичь удовлетворительного равновесия. Этот метод преобразова ния обеспечивает средние метрологические характеристики и доста точно высокое быстродействие.
В методе развертывающего уравновешивания операция сравнения величин измеряемой и компенсирующей происходит по определенной наперед заданной программе (рис.10.3).
Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т.е. при =. Измеряемое напряжение преобразуется в интервал времени Δ t .
Основная погрешность подобных АЦП определяется качеством линейно нарастающего напряжения.
- интегрирования , при котором измеряемая величина суммируется за фиксированный интервал времени;
- одновременного считывания , при котором измеряемая величина одновременно сравнивается с рядом известных величин, соотношения между элементами которых выбираются по заданному алгоритму.
Наиболее распространены способы поразрядного сравнения и интегрирования. АЦП поразрядного сравнения имеют высокое быстродействие, но слабую помехозащищенность. Из числа интегрирующих АЦП наиболее часто используют преобразователь двухтактного интегрирования. Его структурная схема представлена на рис.10.4.
Рис.10.4. Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования.
Измеряемая аналоговая величина после масштабного преобразователя поступает на вход электронного коммутирующе го устройства и сравнивается с опорным напряжением . Затем входная аналоговая величина (напряжение) интегрируется в тече ние фиксированного времени, за которое выходное напряжение интегратора возрастает от нуля до максимального значения, а по том уменьшается от максимального значения до нуля. При этом считаются тактовые импульсы генератора, встроенного в интегра тор. Число таких импульсов, учтенное за время убывания напря жения, пропорционально этому напряжению (рис.10.5):
Здесь - длительность первого такта интегрирования; - импульсы образцовой частоты.
Рис.10.5. Принцип действия АЦП двухтактного интегрирования.
Рассмотренный преобразователь двухтактного интегрирования нашел широкое распространение в цифровых измерительных при борах общего назначения, так как он имеет высокую точность и низкую стоимость.
Цифровые измерительные приборы.
Цифровые измерительные приборы отличаются от измерительных преобразователей тем, что выходные данные приборов должны быть представлены человеку - оператору в удобной для него форме. Поэтому для построения цифровых измерительных приборов используются АЦП, снабженные средствами ручного управления и визуального представления результатов измерений.
Самые простые варианты приборов без подключения дополнительных преобразователей на входе - это частотомеры и периодомеры, которые создаются на базе соответствующих АЦП, описанных выше. Частотомеры и периодомеры обычно совмещаются в одном корпусе.
На базе АЦП поразрядного уравновешивания, развертывающего преобразования, интегрирующих могут быть созданы вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока, а также омметры. Для этого к АЦП присоединяются соответствующие входные преобразователи этих величин. Обычно в одном корпусе с АЦП помещаются несколько преобразователей, каждый из которых присоединяется к АЦП с помощью переключателя, управляемого вручную или от компьютера. Подобные приборы называются мультиметрами . Наиболее точные мультиметры, предназначенные для измерения постоянного напряжения, силы постоянного тока и сопротивления, создаются на базе интегрирующих АЦП.
Из числа цифровых измерительных приборов большое распространение получили вольтметры постоянного тока . Рассмотренные выше принципы аналого-цифрового преобразования положены в основу их построения.
Цифровыми вольтметрами постоянного тока можно измерять напряжения в диапазоне от 1 мкВ до 1000 В с погрешностью не хуже 0,1 %.
Цифровые вольтметры переменного тока создают в основном по принципу предварительного преобразования напряжения переменного тока в постоянное с последующей его обработкой в схеме вольтметра постоянного тока. Особенностью цифровых вольтметров переменного тока является меньшая по сравнению с вольтметрами постоянного тока точность измерений.
Отсчетные устройства цифровых измерительных приборов по зволяют визуально наблюдать результаты измерений в цифровой форме. В качестве отсчетных устройств в приборах используют проекционные экраны и различные индикаторы. Проекционные устройства на базе ламп накаливания имеют большие габаритные размеры и требуют больших мощностей. Поэтому применяют их редко.
Цифровые измерительные приборы комплектуются в основном различными цифровыми индикаторами - электровакуумными, люминесцентными с мозаичным построением цифр, газо разрядными, неоновыми и жидкокристаллическими. В большин стве цифровых приборов общего назначения используют семисег ментные индикаторы на жидких кристаллах, имеющие наименьше из всех индикаторов потребление мощности. Поэтому жидкокрис таллическими индикаторами комплектуют портативные измери тельные приборы. В стационарных приборах часто применяют ин дикаторы на светодиодах или флуоресцентные.
Обычно отсчетные устройства цифровых измерительных приборов имеют от четырех до восьми разрядов. В большинстве из них предусмотрена десятичная запятая (точка), которая может перемещаться в соответствии с выбранным диапазоном измерений.
Микропроцессорные цифровые измерительные приборы .
Применение микропроцессоров в измерительных приборах упро щает процесс измерений, позволяет выполнять автоматически по верку и калибровку (в том числе и во время измерений), статистичес кую обработку измерительной информации и улучшить метрологи ческие характеристики приборов. Ниже даны примеры использова ния микропроцессоров в цифровых вольтметрах и частотомерах.
Обобщенная структурная схема цифрового микропроцессорно го вольтметра приведена на рисунке 10.6.
Рис.10.6. Структурная схема цифрового микропроцессорного вольтметра.
Пропорциональное входной величине число в виде импульсов оп ределенной последовательности с АЦП подается в интерфейс микро процессора М. При этом микропроцессор управляет процессом ин тегрирования и вырабатывает команды для вывода цифровой инфор мации. После обработки информации по команде оператора (или про граммно) на цифровой дисплей ЦД поступает соответствующее число. Цифровой дисплей воспроизводит не только цифры и единицы изме рения, но и текст, способствующий получению полной информации об измеряемом напряжении (среднее, действующее или амплитудное значение, частота, период и др.). Поскольку индикация на экране дис плея прерывается через определенные промежутки, как правило, не превышающее 10 мс, за которые микропроцессор опрашивает АЦП и вырабатывает команды ввода и вывода, оператору изображение на эк ране представляется непрерывным.
Современные микропроцессорные вольтметры представляют собой многопрограммные приборы, которые позволяют умножать (делить) измеряемое напряжение на постоянную величину, опреде лять его статистические параметры (среднее квадратическое откло нение, дисперсию, математическое ожидание и др.) и хранить.
В цифровом микропроцессорном частотомере (рис. 10.7) измере ния выполняются способом последовательного счета.
Напряжение измеряемой частоты через масштабный преобразователь МП , ана логичный микропроцессорному вольтметру, поступает в формиро ватель импульсов Ф. Здесь напряжение преобразуется в периодическую последовательность импульсов, которая подается во временной селектор ВС. Микропроцессор М вырабатывает тактовые импульсы определенной длительности (например, 1 с), которые подаются на второй вход временного селектора. Длитель ность этих импульсов задается генератором ГИ.
Рис.10.7. Структурная схема цифрового микропроцессорного частотомера .
При одновременном воздействии двух сигналов на входах вре менного селектора на его выходе получается то число импульсов, которое ограничено временным интервалом, задаваемым микро процессором. Попавшие в этот интервал импульсы просчитывают ся счетчиком С и поступают в микропроцессор, где хранится кон станта частоты. Результат сравнения числа поступивших импульсов с константой преобразуется в число и подается на цифровой дисп лей ЦД, который может быть аналогичен цифровому микропроцес сорному вольтметру или выполнен на основе электронно-лучевой трубки. При этом микропроцессор кроме вычислений и управле ния процессом измерения позволяет определить место запятой в цифровой информации, автоматически выбрать диапазон измере ний частоты, измерить период и фазовый сдвиг входного сигнала и калибровать прибор в процессе измерений.
Цифровые измерительные приборы - это перспективные средства измерений большого разнообразия параметров. Несмот ря на высокую стоимость по сравнению с аналоговыми (и особен но электромеханическими) приборами, они имеют преимущества на коммерческом рынке.
По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств : объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0.001% при широком диапазоне измеряемых величин (от 0.1 мкВ до 1000 В ); высокое быстродействие (до 10 6 преобразований в сек) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; коррекцию погрешностей) и др.
Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность.
ЦИП многопредельны, универсальны. Предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, емкости, отношения двух величин, а также неэлектрических величин.
Аналого-цифровой преобразователь - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код. Современные типов архитектуры АЦП. Основа дискретизации непрерывных сигналов. Схемы параллельных, последовательных, двухступенчатых, сигма-дельта АЦП.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | доклад |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.01.2011 |
| Размер файла | 709,1 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) -- устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).
Как правило, АЦП -- электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:
- Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).
При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером). При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).
Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта -- не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).
Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трёхвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает дребезга), и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило -- +5В или 0).
Трёхвходовые компараторы имеют более широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счёт чего их вольт-амперная характеристика может представлять собой прямоугольную петлю гистерезиса.
Пример широко известных компараторов: LM311 (отечественный аналог - КР554СА3), LM339 (отечественный аналог - К1401СА1). Эта микросхема часто встречается, в частности, на системных платах ЭВМ, а так же в системах управления ШИМ контроллеров в блоках преобразования напряжения (например в компьютерных блоках питания с системой питания ATX). Подробнее о них можно узнать из книги "Электроника", О.В. Миловзоров, И.Г. Панков - 2004; "Электронные приборы и усилители", Ф.И. Вайсбурд, Г.А. Панаев, Б.Н. Савельев - 2005
Современные аналого-цифровые преобразователи
Интегральные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) выпускаются уже свыше 30 лет. За это время разработаны и производятся сотни моделей АЦП, отличающихся точностью, быстродействием, потреблением энергии и ценой. При выборе конкретной микросхемы разработчик обращает внимание, прежде всего на совокупность ее показателей качества (параметров).
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - один из самых важных электронных компонентов в измерительном и тестовом оборудовании. АЦП преобразует напряжение (аналоговый сигнал) в код, над которым микропроцессор и программное обеспечение выполняют определенные действия. Даже если Вы работаете только с цифровыми сигналами, скорее всего Вы используете АЦП в составе осциллографа, чтобы узнать их аналоговые характеристики.
Существует несколько основных типов архитектуры АЦП, хотя в пределах каждого типа существует также множество вариаций. Различные типы измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения.
Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами.
В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Существуют также параллельные АЦП для приложений, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением.
На рис.1 показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.
В принципе, вполне реально осуществить преобразование различных физических величин непосредственно в цифровую форму. Однако, процесс этот весьма сложен и кое-где непригоден. Поэтому наиболее рациональным является сначала преобразование чего-то там в функционально связанные с ними электрические сигналы, а затем с помощью преобразователя напряжение-код в цифровые. Именно последние и понимаются, как АЦП.
Сама суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении некой непрерывной функции (например, напряжения) от времени в последовательность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени. Если говорить простым языком, то пусть, к примеру, есть какой-то сигнал (непрерывный) и для преобразования его в цифровой необходимо этот самый сигнал представить в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени.
Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование. Во многих умных книжках последняя операция исключается. Об этом немного ниже. Итак, разберем пока непонятные понятия.
Дискретизация - это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов. По-другому можно сказать, что дискретизация - это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. Давайте глянем на рисунок 1, где изображен принцип дискретизации.
На рисунке показана наиболее распространенная равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Дt. Вот эти промежутки "дельта тэ" и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в Дt. По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как ai, иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как fi(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.
Период дискретизации выбирается из условия:
где Fв - максимальная частота спектра сигнала. Это выражение есть не что иное, как теорема Котельникова, которая гласит: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой Fв, если дискретные отсчеты взяты через интервал Дt = 1 / 2Fв. А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD.
КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. А это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека (помните, частотный диапазон для уха человека равен 20. 20 000 Гц). Про компакт диски будет отдельная глава.
При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования. Опять посмотрим на рисунок:
На рисунке изображено равномерное квантование. Одним из основных параметров является д - шаг квантования. Соответственно, при равномерном квантовании шаг квантования одинаков. Итак, согласно определению запихиваем отсчеты в подготовленную сетку. Первый (слева направо) отсчет находится ближе к уровню 3 (уровни квантования - по вертикальной оси). Второй - к 5-му уровню и т. п. Таким образом, вместо последовательности отсчетов получаем последовательность чисел, соответствующих уровням квантования.
При равномерном квантовании динамический диапазон получается довольно большим, а это не есть гуд. Поэтому придумали так называемое неравномерное квантование, при котором динамический диапазон уменьшается. Ну понятно, наверное, что шаг квантования д будет различным при различных уровнях. При малых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается. На практике же неравномерное квантование практически не используется. Вместо этого применяют компрессоры, причем америкосы используют м-компрессоры, европейцы - А-компрессоры (греческая буковка м читается "мю").
Кодирование - это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов. Широко используется двоичный код.
Ну а теперь перейдем собственно к АЦП. АЦП бывают последовательные и параллельные. Начнем с параллельных.
Чаще всего в качестве пороговых устройств параллельного АЦП используются интегральные компараторы. Схема типичного АЦП параллельного типа приведена на рисунке 4.
Параллельный АЦП является самым быстродействующим из всех, поскольку компараторы работают одновременно. Но есть весьма существенный недостаток. Как было сказано выше, разрядность такого АЦП определяется числом компараторов (ну и резиков, конечно). При малой разрядности это еще не так хреново. А когда разрядов 10-12. Для 10-ти разрядного АЦП понадобится 210 - 1 = 1023 штук. Вот это уже не хорошо. Отсюда вытекает высокая стоимость параллельных АЦП. Кстати, подбором сопротивлений резиков можно выбрать закон преобразования - линейный, логарифмический.
Последовательные АЦП бывают последовательного счета и последовательного приближения. Типичная схема АЦП последовательного счета приведена на рисунке 5.
Такие АЦП имеют низкое быстродействие. Достоинством является сравнительная простота построения.
Более быстродействующим являются АЦП последовательного приближения, называемый также АЦП с поразрядным уравновешиванием. АЦП последовательного приближения показан на рисунке 6. В основе работы таких преобразователей лежит принцип дихотомии - последовательного сравнения измеряемой величины с Ѕ, ј, ? и т. п. от возможного ее максимального значения.
В таком АЦП используется спец регистр - регистр последовательных приближений. При подаче импульса "Пуск" на выходе старшего разряда регистра появляется лог. 1, а на выходе ЦАП напряжение U1. Если это напряжение меньше входного, то в следующем по счету разряде регистра записывается еще лог. 1. Если же входное напряжение меньше, то лог. 1 в старшем разряде отменяется. Таким образом, методом проб перебираются все разряды - от старшего до младшего. На всю операцию преобразования требуется импульсов ГТИ всего в два раза больше количества разрядов. То есть АЦП последовательных приближений намного шустрее АЦП последовательного счета.
Последовательно-параллельные АЦП - это компромисс между параллельными и последовательными АЦП, т. е. желание получить максимально возможное быстродействие при минимальных затратах и сложности.
На рисунке 7 показан для примера двухступенчатый АЦП. В многоступенчатых преобразователях процесс преобразования разделен в пространстве.
Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую даёт АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую способность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преобразования. Так, в сигма-дельта АЦП при 16 разрядах можно получить частоту дискретизации до 100К отсчетов/сек, а при 24 разрядах эта частота падает до 1К отсчетов/сек и менее, в зависимости от устройства.
Обычно сигма-дельта АЦП применяются в разнообразных системах сбора данных и в измерительном оборудовании (измерение давления, температуры, веса и т.п.), когда не требуется высокая частота дискретизации и необходимо разрешение более 16 разрядов.
Принцип работы сигма-дельта АЦП сложнее для понимания. Эта архитектура относится к классу интегрирующих АЦП. Но основная особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что частота следования выборок, при которых собственно и происходит анализ уровня напряжения измеряемого сигнала, существенно превышает частоту появления отсчетов на выходе АЦП (частоту дискретизации). Эта частота следования выборок называется частотой передискретизации. Так, сигма-дельта АЦП со скоростью преобразования 100К отсчетов/сек, в котором используется частота передискретизации в 128 раз больше, будет производить выборку значений входного аналогового сигнала с частотой 12.8М отсчетов/сек.
Блок-схема сигма-дельта АЦП первого порядка приведена на рис. 5. Аналоговый сигнал подается на интегратор, выходы которого подсоединены к компаратору, который в свою очередь присоединен к 1-разрядному ЦАП в петле обратной связи. Путем серии последовательных итераций интегратор, компаратор, ЦАП и сумматор дают поток последовательных битов, в котором содержится информация о величине входного напряжения.
Результирующая цифровая последовательность затем подается на фильтр нижних частот для подавления компонентов с частотами выше частоты Котельникова (она составляет половину частоты дискретизации АЦП). После удаления высокочастотных составляющих следующий узел - дециматор - прореживает данные. В рассматриваемом нами АЦП дециматор будет оставлять 1 бит из каждых полученных 128 в выходной цифровой последовательности.
Так как внутренний цифровой ФНЧ в сигма-дельта АЦП представляет собой неотъемлемую часть для осуществления процесса преобразования, время установления ФНЧ становится фактором, который необходимо учитывать при скачкообразном изменении входного сигнала. Например, при переключении входного мультиплексора или при переключении предела измерения прибора необходимо подождать, пока пройдут несколько отсчетов АЦП, и лишь потом считывать корректные выходные данные.
Дополнительным и очень важным достоинством сигма-дельта АЦП является то, что все его внутренние узлы могут быть выполнены интегральным способом на площади одного кремниевого кристалла. Это заметно снижает стоимость конечных устройств и повышает стабильность характеристик АЦП.
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ.-- 4-е изд., перераб. и доп.-- М.: Мир, 1993.--371 с., ил.
2. S. Norsworthy, R. Schreier, G. Temes, Delta-Sigma Data Converters.
3. Mingliang Liu, Demystifying Switched-Capacitor Circuits.
4. Behzad Razavi, Principles of Data Conversion System Design.
David Johns, Ken Martin, Analog Integrated Circuit Design.
Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design.
Подобные документы
Понятие аналого-цифрового преобразователя, процедура преобразования непрерывного сигнала. Определение процедур дискретизации и квантования. Место АЦП при выполнении операции дискретизации. Классификация существующих АЦП, их виды и основные параметры.
курсовая работа [490,2 K], добавлен 27.10.2010
Аналого-цифровые преобразователи, характеризующие статическую и динамическую точность. Общий вид упрощенных схем. Преобразователи с двухтактным интегрированием. Регистр последовательных приближений. Главное назначение и функции компаратора напряжения.
курсовая работа [321,0 K], добавлен 13.04.2014
Устройства, преобразующие аналоговый сигнал в цифровой код и цифровой код в аналоговый сигнал. Расчет синхронного счетчика, дешифратора. Использование пакета схемотехнического моделирования Micro-CAP. Расчет и построение цифро-аналогового преобразователя.
курсовая работа [414,4 K], добавлен 21.11.2012
Расчет источника опорного напряжения для схемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выбор компаратора, составление счетчика. Принцип работы АЦП. Получение полосового фильтра. Граничная частота входных сигналов. Перевод сигнала в аналоговую форму.
курсовая работа [925,5 K], добавлен 05.11.2012
Применение аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для преобразования непрерывных сигналов в дискретные. Осуществление преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Анализ принципов работы АЦП и ЦАП.
лабораторная работа [264,7 K], добавлен 27.01.2013
Аналого-цифровой преобразователь, разрешение и типы преобразования. Точность и ошибки квантования. Частота дискретизации и наложение спектров. Подмешивание псевдослучайных сигналов и передискретизация. Основные аппаратные характеристики микроконтроллера.
дипломная работа [635,4 K], добавлен 23.03.2013
Аналого-цифровые преобразователи. Проектирование схем электрических принципиальных. Делитель напряжения, интегратор, компаратор, источник опорного напряжения, источник квантующих импульсов. Счетчик импульсов. Формирователь сигнала "Упр.SW1, "Запись".
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Линейные аналоговые и цифровые преобразователи.
Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).
Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЦП
Она содержит буферный усилитель (БУ), посредством которого осуществляется развязка высокой входной ёмкости АЦП микросхемы КР1107ПВ2 от источника сигнала. Источник опорного напряжения (ИОН) служит для питания делителя напряжения в АЦП, для подачи опорных квантованных напряжений на компараторы. Оцифровка входного аналогового сигнала осуществляется в АЦП (микросхема КР1107ПВ2), которая преобразует аналоговый сигнал амплитудой 02 В с частотой преобразования не более 20 МГц в восьмибитный выходной код, вид которого определяется программно, подачей двухбитного кода на входы 36, 41 микросхемы. Выходной код, через магистральный усилители (МУ1, МУ2) поступает на порт РВ контроллера ввода-вывода КР580ВВ55 запрограммированного на ввод, а затем в зависимости от программы либо в ОЗУ используемого в данной схеме программируемого универсального контроллера (КПУ) "Электроника МС2702", либо через порт РА, запрограммированного на выход, выводится на сопрягаемый контроллер для обработки данных.
Седьмой бит порта РС используется как стробирующий АЦП канал. В этот бит выставляется логическая еденица с частотой, определяемой программой контроллера.
Запуск АЦП на преобразование реализован программно. При помощи схемы запуска, содержащей компараторы, срабатывающей от отрицательного сигнала амплитудой –1мВ до –4В и RS-триггера, выходным сигналом которого поданным на бит С7 порта РС , запускается программа преобразования АЦП. Бит С5 порта РС используется как канал сигнала готовности к началу преобразования.
2. БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Характерной особенностью микросхемы КР1107ПВ2 является большая входная ёмкость (более 100 пф). В связи с этим, при использовании этих микросхем в измерительных устройсвах возникает необходимость в буферном каскаде для развязки источника сигнала от емкостной нагрузки. При чем на этот каскад накладываются весьма жесткие требования по стабильности коэффициента усиления, термостабильности, полосе пропускания, так же требуется высокое входное сопротивление, чтобы не вносить погрешности в измеряемый сигнал или входное сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля, соединяющего источник сигнала и АЦП.
Схема может работать с ёмкостью нагрузки до 300 пФ с полосой пропускания до 20 МГц, нелинейность АЧХ - 0,2 и коэффициент передачи равный 1.
Основа буферного неинвертирующего усилителя - дифференциальный каскад, собранный на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой его является схема – "токовое зеркало" на микросборке из двух подобранных по характеристикам транзисторах (DA1).
На выходе собран эмиттерный повторитель на транзисторе VT6, согласованный с дифференциальным каскадом и с токовым повторителем VT4. Резисторы R1-R3 образуют делитель напряжения для подстройки "0" на выходе усилителя без сигнала на входе. На транзисторах VT3-VT4 и диодах VD1-VD3 собраны два источника тока для питания дифференциального каскада и токового повторителя./2/
3. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Параллельные АЦП, такие как используемая микросхема КР1107ПВ2 построены на принципе одновременного сравнивания (преобразования) сигнала путём квантования с помощью набора компараторов, на один вход которых подаётся исследуемый сигнал, а на другой квантованные по уровню опорного напряжения. Они создаются прецизионным делителем напряжения , который питается от внешнего источника опорного напряжения, к нему предъявляются высокие требования по стабильности выходного напряжения, так как оно в большей степени определяет погрешность АЦП.
Он выдаёт стабилизированное напряжение равное 2В, с точностью 0,01 в диапазоне теиператур от –20 до +40 С.
Выходное напряжениеформируется как разница между падением напряжения на светодиоде VD1 и эмиттерном переходе транзистора VT2. Оба эти напряжения имеют отрицательный температурный коэффициент 2мВ/град. , в следствии чего напряжение на резисторах R2 и R3 термостабильно. Транзисторы сборки VT1, резистор R1 и диод VD2 образуют стабилизатор тока светодиода VD1. В связи с тем, что температурный коэффициент напряжения светодиода несколько меньше такого же коэффициента эмиттерного перехода транзистора VT2, для компенсации разницы стабилизатор выполнен с отрицательным коэффициентом (за сче диода VD2). Для обеспечения равенства температур светодиод и транзистор VT2 должны иметь тепловой контакт.
4. СХЕМА ЗАПУСКА
Для согласования времени прихода сигнала на вход установки и началом цикла преобразования АЦП служит схема запуска.
Схема запуска содержит в себе компаратор, срабатывающий от отрицательного импульса, амплитудой от –1мВ до –4В и выдающий на выходе логический сигнал, либо логическую еденицу, амплитудой от 3 до 5В, либо логический ноль, амплитудой до 0.5В
Для регулировки уровня срабатывания компаратора – исключения срабатывания от шумов и наводок, служит делитель напряжения на резисторах R1 и R2, регулировка возможна в пределах от 0 до 4 В.
Сигнал с выхода компаратора подаётся на R-вход RS-триггера устанавливая уровень логической еденицы на выходе триггера и бите C7 порта РС. Этот бит опрашивается программой контроллера и при обнаружении на нём логической еденицы начинаетсятактирование АЦП и запись результата в память контроллера.
При установке в бите С5 порта РС логической еденицы сбрасывается запускающий сигнал с выхода триггера, схема запуска приводиться в готовность к новому циклу преобразования.
5. АЦП КР1107ПВ2
Интегральная полупроводниковая микросхема КР1107ПВ2 представляет собой быстродействующий восьмиразрядный аналогоцифровой преобразователь с частотой преобразования до 20 МГц. Микросхема предназначена для преобразования входных аналоговых сигналов в диапазоне отрицательных напряжений от –2В до 0В в один из кодов параллельного считывания: прямой двоичный, обратный двоичный, прямой дополнительный, обратный дополнительный.
Построение АЦП по полностью параллельной схеме позволяет получить максимальное быстродействие при минимальной динамической погрешности без использования внешней схемы выборки хранения во всем диапазоне частоты преобразования.
Выходные уровни и уровни управляющих сигналов АЦП соответствуют уровням ТТЛ.
Микросхема состоит из резистивного делителя опорных напряжений, 256 стробируемых компараторов, дешифратора кодов компараторов, логических схем управления выходным кодом и выходного регистра хранения.
6. КПУ "ЭЛЕКТРОНИКА 2702"
Универсальный программируемый контроллер "ЭЛЕКТРОНИКА 2702" построен на основе микропроцессора К580ВМ80, содержит в своем составе два контроллера ввода-вывода, два программируемых таймера, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер прерываний, микросхемы постоянной и оперативной памяти, схемы логики управления. Управление контроллера осуществляется с клавиатуры, результаты отображаются на дисплее.
Контроллер оперирует восьмибитным параллельным кодом, имеет сорок восемь двунаправленных программируемых канало ввода-вывода. Контроллер может осуществлять следующие операции:
1. Опрос портов ввода-вывода и запись информации из них в ОЗУ.
2. Запись в порты ввода-вывода информации из ОЗУ.
3. Все операции с памятью характерные для процессора К580ВМ80 и определяемые набором его команд.
7. ПРОГРАММ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА
Программа, обеспечивающая работу контроллера и АЦП должна:
1. Предусматривать программное изменение выходного кода АЦП.
2. Стробировать АЦП и записывать результаты в ОЗУ с заданной программно частотой.
3. Предусматривать программное изменение памяти, отводимой для записи сигнала.
4. Опрашивать один из портов в ожидании сигнала начала преобразования.
5. Сбрасывать схему запуска в исходное состояние выставлением в одном из каналов порта сигнала готовности.
Подпись заведующего кафедрой________________________Бекирова Л.Р.
Подпись руководителя курсовой работы_________________Рамазанов К.Ш.
Подпись студента____________________________________Наггаев Н.О.
Дата выполнения работы____________________ Оценка________________
Председатель комиссии_____________________________ (Бекирова Л.Р.)
Члены комиссии: 1. ________________________________ (Мамедов Г.А.)
.
ABSTRACT
1.2. Классификация существующих устройств……………………………….
1.3. Разработка структурной схемы…………………………………………….
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ…………………………………….
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………….
ВВЕДЕНИЕ
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи АЦП находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода – вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д.
Велики перспективы использования быстродействующих преобразователей в телеметрии и телевидении. Несомненно, серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых АЦП еще более усилит тенденцию проникновения метода дискретно-непрерывного преобразования в сферу науки и техники. Одним из стимулов развития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей в интегральном исполнении в последнее время является широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. В свою очередь потребность в АЦП стимулирует их разработку и производство с новыми, более совершенными характеристиками. В настоящее время применяют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную и полупроводниковую.
При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИМС ЦАП и ИМС АЦП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1. Аналого-цифровые преобразователи
Аналого – цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.
Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение код в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП. На рисунке 1.1 приведены виды АЦП.
Рисунок 1.1 – Виды АЦП
Процедура аналого – цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел , j=0,1,2, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность . Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную .
Дискретизация – это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (по-буржуйски дискрет означает отличный, различный). По-другому можно сказать, что дискретизация – это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. На рисунке 2 изображен принцип дискретизации.
Рисунок 1.2 – Принцип дискретизации
При квантовании (рисунок 1.3) шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования.
Рисунок 1.3 – Квантование
1.2 Классификация существующих устройств
Классификация АЦП делится на 3 типа:
- АЦП последовательного приближения, заключается в возможности организации синхронной и циклической работы, производства уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде;
- АЦП считывания, выполняет функцию параллельного преобразования входного напряжения в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) и с дополнением до двух (прямого или обратного);
- Интегрирующие АЦП, предназначены для применения в измерительной аппаратуре различного назначения.
Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения, точность – абсолютной погрешностью полной шкалы, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования т.е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе, устанавливающегося кода.
По структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развёртывающего типа. Развёртывающие АЦП переводят аналоговый сигнал в цифровой последовательный, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. К этому типу можно отнести АЦП последовательного приближения со счётчиком.
К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойного интегрирования и параллельного действия. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того, для построения схемы АЦП не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами.
1.3 Разработка структурной схемы
В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки, предусматривающие интегральное исполнение.
Исходя из этого, предлагается схема аналого-цифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнении (т.е. выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов в интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены.
Схема АЦП с буферной памятью состоит из следующих блоков: генератор тактовых импульсов, счётчик формирователь адресов, буферную память составляет динамическое ОЗУ, мультиплексор, регистр последовательного приближения, буферный регистр, компаратор, ЦАП и три логических элемента.
Генератор и счётчик формируют адресные коды в стартстопном или непрерывном режиме. Тактовая частота, с которой производится дискретизация входного аналогового сигнала Ux, зависит от динамических параметров элементов АЦП, главным образом от времени установления ЦАП. С выхода микросхемы памяти мы снимаем восьмиразрядный цифровой код. Время одного измерения равно длительности установления на выходе буферного регистра цифрового кода, отображающего значения амплитуды выборки входного сигнала Ux.
Структурная схема приведена на рисунке 1.4
Рисунок 1.4 – Структурная схема
1.5 Разработка функциональной схемы
Устройство может работать в режимах измерения, хранения измеренной информации и её вывода для индикации или регистрация в цифровой и аналоговой форме представления.
В режиме вывода микросхема памяти включена через мультиплексор в цепь преобразования считываемых с её выхода, по мере возрастания адресов, сигналов в восьмиразрядный параллельный код на выходе буферного регистра и в соответствующий ему аналоговый уровень напряжения на выходе ЦАП. Выходные сигналы можно подать на регистрирующее устройство и индикатор, например на экране осциллографа.
В режиме вывода измерительной информации из накопителя мультиплексор исключает из цепи преобразования компаратор, следовательно, изменения его состояния под воздействием сигнала на входе Ux не влияют на вывод информации.
РРисунок 1.14 – Схема функциональная
Заключение
Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.
- специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
- АЦП являются составной частью систем сбора данных;
- АЦП последовательного приближения разрядностью 8..12 бит и сигма-дельта АЦП разрядностью 16..24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры;
- очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвеерные АЦП);
- современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика. (сигма-дельта АЦП);
- АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора;
- сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций и в антенных решётках РЛС.
АЦП превратились из базовых устройств, имеющих отдельные ограниченные диапазоны изменения входных сигналов, в более интегрированные, программируемые микросхемы, предлагающие несколько различных диапазонов измерения входных сигналов и программно конфигурируемые интерфейсы.
Читайте также: