|
|
|
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИВремя, требуемое на преобразование напряжения в цифровое значение, определяется максимальной частотой ПНЧ и необходимым уровнем разрешения. Как правило, ПНЧ обладают сравнительно невысоким быстродействием по сравнению с АЦП последовательного приближения, однако они подходят для совместной работы с подавляющим большинством сенсоров. Когда ПНЧ используется в качестве АЦП, он подключается к счетчику, тактируемому с заданной частотой отсчетов. к примеру, если верхний предел частоты преобразователя равен 32 кГц, а счетчик включается 8 раз в секунду, максимальное количество импульсов, посчитанных за один счетный период, составит 4000, что приблизительно соответствует разрешающей способности 12-ти разрядного АЦП (см. таблицу 5.2). Используя ту же самую комбинацию компонентов (ПНЧ и счетчик), можно реализовать интегрирующее устройство, применяемое в случаях, когда необходимо проводить измерения внешних сигналов в определенном интервале времени. В этом случае счетчик будет подсчитывать количество импульсов в течение заданного промежутка времени, а не среднее число импульсов за цикл счета. Другое полезное свойство ГШЧ — простота передачи импульсов по линиям связи. Импульсные сигналы обладают большей помехоустойчивостью по сравнению с аналоговыми сигналами, имеющими высокое разрешение. В идеальном случае выходная частота преобразователя/оц/ пропорциональна входному напряжению V , т.е. выполняется соотношение:
где/Р5и KFS — максимальная частота и входное напряжение ГШЧ. АЦП бывают разных типов: из дискретных компонентов, в виде
ИС, высокопроизводительных гибридных схем, модулей и даже блоков. Также АЦП
изготавливаются в виде стандартных ячеек для применения в специализированных
ИС. АЦП — это преобразователи, конвертирующие аналоговые данные, обычно
напряжение в эквивалентный цифровой сигнал, совместимый с цифровыми
устройствами обработки данных. Основными характеристиками АЦП являются:
абсолютная и относительная погрешность, линейность, разрешающая способность, скорость
преобразования, стабильность, способность не пропускать коды и стоимость. Довольно часто, особенно когда цена АЦП имеет решающее значение, применяют
преобразователи, реализованные из дискретных компонентов и в виде монолитных
ИС. Наиболее популярными являются АЦП, построенные на принципе
последовательного приближения, которые дают возможность найти хороший
компромисс между быстродействием и точностью. Когда не требуется высокая
скорость преобразований, часто применяются интегрирующие АЦП и преобразователи
напряжения в частоту. В настоящее время методы проектирования АЦП хорошо
отработаны. В этом сайте будут даны краткие описания наиболее
распространенных архитектур АЦП. Более подробную информацию об АЦП можно найти
в специализированной литературе, к примеру, [4].
Самым известным цифровым кодом является двоичный (т.е. код с
основанием 2). Наиболее часто двоичный код используется для представления целых
чисел.
Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) Достоинством ПНЧ является высокая разрешающая способность преобразований, поэтому они часто используются с датчиками, обладающими крупным временем интегрирования (от секунд до нескольких лет), в преобразователях цифрового значения в частоту (в цифроаналоговых преобразователях (ЦАП)), в частотных модуляторах, делителях и умножителях. На входы ПНЧ поступает аналоговый сигнал датчика, который может быть либо напряжением, либо током (в последнем случае это уже будет преобразователь тока в частоту). В некоторых случаях датчик является частью АЦП (см. раздел 5.5). В данном сайте будут рассмотрены только ПНЧ, в которых величина напряжения определяется количеством прямоугольных импульсов в единицу времени. Частота может рассматриваться цифровым сигналом, поскольку всегда можно подсчитать импульсы в заданном интервале времени и представить полученное число в двоичном коде. Все ПНЧ являются преобразователями интегрирующего типа, поскольку их выходным сигналом является частота (количество импульсов в секунду), пропорциональная среднему значению входного напряжения. На основе ПНЧ реализуются самые простые и экономичные АЦП. Для линейного преобразователя отношение/Р5/Кр8=С, являющееся постоянной величиной, называется коэффициентом преобразования. 
Существует несколько типов ПНЧ. Самые популярные из них
построены на основе мультивибратора и схемы с уравновешиванием заряда.
ПНЧ мультивибраторного типа, отображенный на рис. 5.23,
реализован на основе асинхронного генератора прямоугольных импульсов, в котором
ток заряда и разряда времязадающего конденсатора определяется входным сигналом. Входное напряжение Vw усиливается дифференциальным усилителем (к примеру,
измерительным усилителем), выходной сигнал того используется для управления
транзисторами U, и U2, являющимися преобразователями напряжения в ток. Прецизионный мультивибратор поочередно подключает времязадающий конденсатор С к
обоим токовым преобразователям. В результате чего, конденсатор половину периода
заряжается током i через транзистор U, а вторую половину периода разряжается
через транзистор U2tokom /. Поскольку величина токов / и / определяется входным
сигналом, напряжение на конденсаторе во время заряда и разряда будет меняться с
одинаковой скоростью, но с противоположным знаком. При этом на выходе
мультивибратора формируется сигнал, частота того пропорциональна входному
напряжению.
Достоинства этой схемы — простота и относительно низкая
потребляемая мощность. Однако она обладает низким подавлением высокочастотных
шумов, поэтому в случаях, где требуется высокая помехоустойчивость лучше
применять схемы с уравновешиванием заряда.
В состав ПНЧ с уравновешиванием заряда входит аналоговый
интегратор и компаратор напряжений (рис. 5.24). Достоинства этой схемы — высокое
быстродействие, линейность и хорошее шумоподавление. Ряд фирм выпускают такие
схемы в интегральном исполнении: к примеру, ADVFC32 и AD650 (Analog Devices), а
также LM331 (National Semiconductors). Такой ПНЧ работает следующим образом. Счетчик ведет себя как фильтр с передаточной функцией. На низких частотах
значение этой передаточной функции близко к единице. Это значит, что
преобразователь совместно со счетчиком выполняют корректные измерения. Однако
на частоте 1/Г передаточная функция равна 0, что означает полное подавление
сигналов этих частот. к примеру, при интервале счета Т= 20 мсек, соответствующем
частоте 50 Гц (частоте напряжения сети, которая часто является источником
существенных помех во многих датчиках), 50-ти Гц шумы будут полностью
устранены. Более того импульсы с частотами, кратными 50 Гц (100 Гц, 150 Гц,...),
будут также подавлены.
АЦП двойного интегрирования АЦП двойного интегрирования являются очень популярными преобразователями. Они используются практически во всех цифровых вольтметрах и других портативных устройствах, не требующих высокого быстродействия. АЦП данного типа выполняют косвенное преобразование входного напряжения. Сначала они преобразуют Vm в функцию от времени, которую затем при помощи счетчика импульсов конвертируют в цифровой код. Хотя АЦП двойного интегрирования и являются довольно медленными преобразователями, но благодаря своей простоте, невысокой стоимости, помехоустойчивости и сравнительно высокой разрешающей способности они часто применяются в случаях, где нет быстрых изменений внешних сигналов. Рис. 5.27 поясняет принцип действия таких АЦП. Также как и ПНЧ с уравновешиванием зарядов АЦП двойного интегрирования состоят из интегратора и порогового компаратора. В данном случае пороговое напряжение устанавливается равным нулю (соответствующий вывод заземляется), правда, в некоторых случаях оно задается равным некоторому постоянному напряжению. При помощи переключателя S, к интегратору поочередно подключается то входное, то эталонное напряжение. В рассматриваемой упрощенной схеме входное напряжение является отрицательным, а эталонное — положительным. Однако при добавлении к входному сигналу постоянной составляющей при помощи дополнительного ОУ, т.е. при его смещении вдоль вертикальной оси, данная схема может работать и с биполярными сигналами. Когда выходное напряжение интегратора пересекает нулевой уровень, компаратор срабатывает и посылает сигнал в логический блок, управляющий переключателями S, и S2. Ключ S2 используется для разряда интегрирующего конденсатора С . 
Рис. 5.27. АЦП двойного интегрирования
Рис. 5.28. Выходной сигнал АЦП двойного интегрирования
В начале преобразований, когда на вход «старт» приходит
разрешающий сигнал, ключ S, подает на интегратор входное напряжение, и блок
управления запускает таймер, установленный на фиксированный интервал времени Т,
в течение того напряжение на выходе интегратора линейно возрастает (рис. Входное напряжение Vm поступает на вход интегратора через резистор R
Интегрирующий конденсатор включен в цепь ОС ОУ, выходной сигнал того
сравнивается с некрупным отрицательным пороговым напряжением — 0.6 В. На выходе
интегратора формируется пилообразное напряжение (рис. 5.26). В момент равенства
напряжения интегратора и уровня порогового сигнала на выходе компаратора
появляется перепад напряжения, запускающий одновибратор, вырабатывающий на
своем выходе прямоугольный сигнал фиксированной длительности t . Прецизионный
источник тока вырабатывает постоянный сигнал, который попеременно подключается
то ко входу интегратора, то к его выходу. Ключ выполняющий операцию переключения,
управляется выходным сигналом одновибратора. При подсоединении источника тока
ко входу ОУ интегрирующий конденсатор Ст получает постоянный заряд. На тот же
самый конденсатор через резистор Rn поступает и входной ток. В результате заряд
на конденсаторе определяется суммой этих токов.
Рис. 5.24. ПНЧ с уравновешиванием заряда
Когда выходное напряжение интегратора сравнивается с
пороговым напряжением, запускается одновибратор и ключ S, меняет свое
положение, т.е. начинается стадия восстановления (рис. 5.25Б). Во время этой
стадии ко входу интегратора одновременно подключены и источник тока, и источник
входного напряжения. Полный перепад напряжения на выходе интегратора за время
стадии восстановления определяется длительностью импульса одновибратора:
Рис. 5.25. Две стадии работы ПНЧ с уравновешиванием заряда:
интегрирования и восстановления.
По окончании импульса одновибрато-ра ключ S, подключает ток
/ к выходу интегратора. Теперь этот ток никак не влияет на конденсатор Ст,
однако при этом ток на входе компаратора уменьшается. Эта стадия называется
стадией интегрирования (рис. 5.25Аи 5.26). Во время этой стадии происходит
разряд конденсатора положительным входным током: / = VJR со скоростью,
пропорциональной величине напряжения V . Время, за то напряжение на входе
компаратора сравнивается с пороговым напряжением, находится из уравнения:
Рис.5.26. Выходной сигнал интегратора ПНЧ с уравновешиванием
заряда
Из этой формулы видно, что величина конденсатора никак не
влияет на длительность стадии интегрирования. Частота выходного сигнала
определяется выражением:
Следовательно, частота импульсов одновибратора
пропорциональна входному напряжению и зависит от качества интегрирующего
резистора, стабильности генератора тока и одновибратора. При выполнении точного
расчета можно реализовать ПНЧ такого типа, обладающий в диапазоне частот 1
Гц... 1 МГц погрешностью нелинейности 10х10~4.
Основным достоинством преобразователей интегрирующего типа
является их способность подавления аддитивных шумов, поскольку при выполнении
процедуры интегрирования уровень помех значительно снижается. Счетчик выполняет
подсчет импульсов от преобразователя в течение заданного интервала времени Т. 5.28). Любые изменения входного сигнала в процессе интегрирования усредняются. После чего подключается очередной (третий) разряд. Процесс такого сравнения
продолжается до тех пор, пока не будет использован последний МЗР. После чего на
линии состояния выставляется «1», информирующая об окончании цикла
преобразования, и данные могут быть считаны из регистра. Код, сформированный в
выходном регистре, соответствует цифровому представлению входного сигнала.
Рис. 5.29. АЦП последовательного приближения: А — блок-схема,
Б — временная диаграмма, поясняющая процесс 3-х разрядного взвешивания.
Для получения достоверных данных входной сигнал не должен меняться в течение всего цикла преобразований. Невыполнение этого условия может привести к возникновению ошибок. Для обеспечения постоянства входного напряжения в состав АЦП последовательного приближения, как правило, входит схема выборки и хранения, являющаяся аналоговым устройством, запоминающим входной сигнал в начале цикла и хранящим это значение до окончания всех преобразований. Улучшение разрешающей способности систем сбора данных В типовой системе сбора данных в состав ИС микроконтроллера часто входит АЦП, разрешающая способность того ограничивается, как правило, 8-мью, редко 10-тью разрядами. При более высоком разрешении, когда число разрядов достигает 12 и даже 14, либо стоимость устройства становится несоразмеримо большой, либо характеристики встроенного АЦП не удовлетворяют требованиям системы. На практике для большинства задач 8–10 разрядов бывает достаточно для корректного преобразования внешних воздействий. Существуют два метода улучшения разрешающей способности системы: использование АЦП двойного интегрирования, чья разрешающая способность ограничивается только скоростью счета и быстродействием компаратора (не рекомендуется путать разрешение с точностью), и применение АЦП (к примеру, последовательного приближения) совместно с устройством расширения разрешающей способности, дающего возможность повысить разрешение на несколько разрядов (к примеру, с 8 до 12). На рис. 5.30 отображена принципиальная схема такого устройства. В дополнение к обычному 8-ми разрядному АЦП в ее состав включены ЦАП, вычитающее устройство и усилитель с коэффициентом усиления А. В специализированных ИС или схемах из дискретных компонентов ЦАП может входить в состав АЦП (см. рис. 5.29А). 
Рис. 5.30. Схема с улучшенной разрешающей способностьюПри
максимальном уровне входного сигнала V , равном Е, исходная разрешающая
способность 8-ми разрядного преобразователя выражаемая в вольт/разряд, равна:
к примеру, при Ј = 5 В, разрешение 8 -ми разрядного АЦП будет
равно 19.6 мВ/ разряд. В исходном состоянии мультиплексор подсоединяет ко входу
АЦП входное напряжение. При этом выходной сигнал АЦП в цифровом виде равен М. По истечение времени ^напряжение на выходе интегратора становится равным
следующему значению:
где Vm — среднее значение входного сигнала за промежуток
времени Т. В этот момент ключ S, подключает на вход интегратора эталонное
напряжение, имеющее противоположную входному сигналу полярность. Наступает фаза
интегрирования эталонного напряжения, в течение той выходное напряжение
интегратора линейно уменьшается до нуля.
Во время интегрирования эталонного напряжения счетчик
считает импульсы, поступающие от тактирующего устройства. Счет прекращается в
момент, когда напряжение интегратора становится равным нулю. По сигналу компаратора,
фиксирующего переход нулевого уровня, блок управления переключает ключ S2,
разряжающий конденсатор Ся. Заряд на конденсаторе, полученный в течение
интегрирования входного сигнала, точно равен заряду, потерянному за время
интегрирования эталонного напряжения.
Следовательно, отношение среднего входного и эталонного
напряжений можно заменить на отношение двух временных интервалов. Далее счетчик
выполняет следующую процедуру: он конвертирует временной интервал A t в
цифровой код, определяя количество тактовых импульсов, поступающих в течение
данного промежутка времени. Посчитанное количество импульсов и будет
соответствовать среднему входному напряжению. Необходимо помнить, Vtи Г должны
быть постоянными величинами.
АЦП двойного интегрирования имеет такие же преимущества, что
и ПНЧ с уравновешиванием зарядов.
• Они оба подавляют шумы с частотой \/Т. рекомендуется отметить,
что при Т= 200 мс происходит подавление как 50-ти, так и 60-ти герцовых помех,
что защищает АЦП от сетевых наводок.
• Точность преобразования в обоих преобразователях не
зависит от стабильности тактовой частоты, поскольку одно и то же тактирующее
устройство задает интервал счета Ги вырабатывает счетные импульсы.
• Разрешающая способность преобразователей ограничивается
только их разрядностью. Поэтому для представления сигнала иногда используется
большее количество разрядов, чем это требуется для обеспечения заданного уровня
точности.
• Интегрирование входного напряжения обеспечивает подавление
высокочастотных помех и усреднение всех выбросов сигнала в течение заданного
интервала Т.
• Пропускная способность АЦП двойного интегрирования
ограничивается величиной, равной 1/2 Т преобразований в секунду.
Иногда для уменьшения погрешностей, вносимых аналоговой
частью схемы (интегратором и компаратором), вводят еще одну стадию
преобразований, во время той конденсатор заряжается сигналом дрейфа нуля. Для компенсации этого явления полученное при этом значение напряжения
вычитается при интегрировании входного сигнала. Существует еще один способ
уменьшения статической погрешности, заключающийся в запоминании результатов
счета, полученных на стадии заряда конденсатора сигналом дрейфа нуля, с
последующим их вычитанием цифровыми методами.
АЦП двойного интегрирования часто дополняются аналоговыми
компонентами (ОУ, ключами, резисторами и конденсаторами) и микроконтроллером,
управляющим тактирующим устройством, логическим блоком и счетчиком. Иногда
аналоговая часть такого АЦП выполняется в виде отдельной ИС. Примером этого
может служить модуль TS500 фирмы Texas Instruments.
АЦП последовательного приближения АЦП такого типа обладают высоким быстродействием (их пропускная способность может составлять до 1 МГц) и хорошей разрешающей способностью (до 16 разрядов). Они выпускаются в виде ИС и широко используются со многими типами сенсоров. Их время преобразования постоянно и не зависит от входного сигнала. Все преобразования уникальны, поскольку внутренние логические схемы и регистры обнуляются после каждого из них, что делает АЦП последовательного приближения пригодными для многоканального мультиплексирования. АЦП, отображенный на рис. 5.29А, состоит из прецизионного компаратора напряжений; модуля, включающего в себя сдвиговые регистры и логический блок управления; и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), выполняющего роль цепи ОС, связывающей цифровые выходы со входом аналогового компаратора. Метод преобразования заключается в сравнении неизвестного входного напряжения Vm с прецизионным напряжением К или током, генерируемым ЦАП. Этот метод похож на процесс взвешивания при помощи набора из п эталонных гирь, соответственно равных 1/2 кг, 1/4 кг, 1/8 кг, 1/16 кг и т.д. (Общий вес всех гирь при этом составляет 1 кг). Перед началом цикла преобразования все регистры очищаются, а на выходе компаратора устанавливается ВЫСОКИЙ уровень напряжения. На входах ЦАП задается код, равный СЗР (1/2 максимального значения). При этом на выходах ЦАП формируется, соответствующее этому коду аналоговое напряжение К, равное половине максимального входного сигнала. Если при этом входное напряжение больше напряжения ЦАП, уровень на выходе компаратора остается ВЫСОКИМ, и в соответствующем разряде регистра формируется значение, равное «1». После этого к СЗР добавляется следующий по значимости разряд (2/8 = 1/4 максимального значения). Если и в этом случае входной сигнал остается больше напряжения ЦАП, к ним добавляется следующий бит и т.д. Так происходит до тех пор, пока входной сигнал не станет меньше напряжения ЦАП. В рассматриваемом примере это произошло на втором шаге. При этом выходной сигнал компаратора сразу же переключается на НИЗКИЙ уровень, а в соответствующем разряде регистра устанавливается значение «О». Микропроцессор передает это значение на вход ЦАП, с выхода того снимается аналоговое напряжение К, приблизительно равное входному сигналу. На вычитающем устройстве определяется разность напряжений Vm и Vc, которая затем усиливается ОУ до значения: 
Напряжение VD представляет собой усиленное рассогласование
между действительным значением входного сигнала и его цифровым представлением. При максимальном уровне входного сигнала получается наибольшее значение ошибки
(Vm — V), равное разрешающей способности АЦП. При 8-ми разрядном преобразовании
величина VD равна 19.6Л мВ. После этого мультиплексор подает напряжение VD на
АЦП, преобразующий его в цифровое значение С:
В результате микропроцессор получает два цифровых кода,
соответствующих значения Ми С, где С соответствует дополнительным разрядам,
обеспечивающим более высокое разрешение. При А = 255, Е = 5В, МЗР будет
приблизительно равен 77 мкВ, разрешению 16-ти разрядного АЦП. На практике
получить такое высокое разрешение, как правило, не удается, что связано с
внутренними погрешностями ЦАП, дрейфом усилителя, шумами и т.д. Однако этот
метод дает возможность реально повысить разрешение до 10 или 12 разрядов.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
