close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсач (2)

код для вставкиСкачать
 Содержание
Введение..............................................................................................3
1. Принципы и методы работы АЦП............................................................4
1.1. Общий принцип работы АЦП ......................................................4
1.2. Метод Oversampling ..................................................................5
1.3. Прочие методы АЦП.................................................................5
2. Основные функциональные и технические характеристики АЦП.....................6
2.1. Структура АЦП........................................................................6
2.2. Квантование амплитуды аналогового сигнала..................................7
2.3. Разрешение и разрядность АЦП...................................................8
2.4. Ошибки квантования.................................................................8
2.4.1. Нелинейность..............................................................8
2.4.2. Апертурная погрешность (джиттер)...................................9
2.4.3. Примеры определения ошибок квантования........................10
2.5. Частота дискретизации АЦП......................................................11
3. Классификация АЦП...........................................................................11
3.1. Параллельные АЦП прямого преобразования.................................11
3.2. Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования..........12
3.3. Последовательные АЦП прямого преобразования...........................13
3.4. АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием.......................................................................13
3.5. АЦП дифференциального кодирования........................................15
3.6. АЦП сравнения с пилообразным сигналом....................................16
3.7. АЦП с уравновешиванием заряда................................................16
3.8. АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов..................................................................................17
3.9. Сигма-дельта-АЦП..................................................................17
3.10. Коммерческие АЦП...............................................................18
Заключение..........................................................................................19
Список литературы................................................................................20
Введение
На современном этапе в развитии телефонии, радиовещания, телевидения, записи и воспроизведения звука существует определенная тенденция к переходу на цифровую форму представления информации. Большинство первичных сигналов, таких, как ток, напряжение, скорость, давление и др. представляются в аналоговой форме, и для того, чтобы обработать их с помощью ЭВМ, нужно эти сигналы преобразовать в цифровой n-разрядный код. Такое преобразование осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). 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. Существуют различные методы аналого-цифрового преобразования, реализующие различные алгоритмы функционирования и соответствующие структуры технической реализации. Практическая реализация схем АЦП может быть выполнена на основе одной или нескольких микросхем в зависимости от используемой серии микросхемы и характеристик преобразователя (разрядности, быстродействия и т. д.). Часто требуется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала и наоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессор регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса, или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционно аналоговой работы. Аналого-цифровое преобразование следует использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например, "цифровая звукотехника" или импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых разнообразных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типа цифровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы, такие, как осциллографы с цифровой памятью), а также в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и устройства шифрования данных.
И, наконец, техника преобразования является существенной составляющей способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных приборов или двух координатных изображений, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существует масса возможностей для применения аналого-цифрового преобразования.
1. Принципы и методы работы АЦП
1.1. Общий принцип работы АЦП
Современная тенденция развития аналого-цифровых преобразователей (АЦП) состоит в увеличении скоростей и разрешающих способностей обработки сигналов при уменьшении уровня потребляемой мощности и напряжения питания. Современные преобразователи данных в основном работают на напряжениях питания ±5В (двуполярный источник питания), +5В или +3В (однополярный источник питания) [1]. В действительности, число устройств с напряжением питания +3В быстро увеличивается вследствие появления для них большого числа новых рынков сбыта, таких как цифровые камеры, видеокамеры и телефоны сотовой связи. Эта тенденция создала множество проектных и конструкторских проблем, которым не придавалось значения в разработках более ранних преобразователей, использовавших стандартное напряжение питания ±15В и диапазон изменения входных сигналов ±10В. Более низкие напряжения питания подразумевают меньшие диапазоны входных напряжений и, следовательно, большую чувствительность к разного вида помехам: шумам от источников питания, некачественным опорным и цифровым сигналам, электромагнитным воздействиям и радиопомехам (EMI/RFI) и, возможно наиболее важный момент - к некачественным методам развязки, заземления и размещения компонентов на печатной плате. В АЦП с однополярным источником питания диапазон изменения входных сигналов обычно отсчитывается вне связи с "землей". При этом проблема заключается в поиске совместимых усилителей с однополярным питанием для нормализации сигнала на входе АЦП и в осуществлении необходимого сдвига входного сигнала относительно "земли" в приложениях с непосредственной связью. В настоящее время доступны компоненты, которые обладают чрезвычайно высокими разрешающими способностями при низких напряжениях питания и малой потребляемой мощности. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный во времени и по амплитуде процесс, а его цифровое представление есть последовательность или ряд чисел, состоящих из конечного числа бит. Поэтому преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантовании по амплитуде. Дискретизация по времени обычно означает, что сигнал представляется рядом своих отсчётов (дискретов) непрерывных по амплитуде и взятых через равные промежутки времени, хотя в некоторых специальных случаях может применяться и неравномерная по времени дискретизация, например при оцифровке узкополосных сигналов. Основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискретизации аналогового процесса. Ответ на него даёт известная теорема Найквиста, утверждающая, что для того чтобы аналоговый (непрерывный по времени) сигнал занимающий полосу частот от 0 Гц до F Гц можно было абсолютно точно восстановить по его отсчётам, частота дискретизации должна быть не меньше 2*F Гц или отсчёты сигнала должны браться не реже чем через 1/(2*F) секунды. Если реальный аналоговый сигнал преобразовать в цифровую форму, содержащую частотные компоненты от 0 Гц до 20 кГц, то частота дискретизации такого сигнала должна быть не меньше чем 40 кГц. Если дискретизировать сигнал с полосой больше, чем частота дискретизации, делённая на 2, то предварительно необходимо с помощью аналогового фильтра низких частот подавить ту высокочастотную часть сигнала, спектральные компоненты которой находятся выше по частоте, чем частота дискретизации делённая на два. Частотный спектр дискретизированного сигнала такой же по форме, как и спектр аналогового (непрерывного) сигнала и повторяется на частотах, кратных частоте дискретизации. Например, если аналоговый сигнал занимает полосу 0 - 20 кГц и дискретизирован с частотой 50 кГц, то копии спектра (alias или алиазинг) появятся на частотах 30 - 70 кГц, 80 - 120 кГц и т.д. Для точного восстановления непрерывного аналогового сигнала по его дискретным отсчётам алиазинговые спектры не должны искажать (накладываться) друг друга, из чего и следует требование дискретизации сигнала на частоте равной удвоенной полосе аналогового сигнала. Реальные аналоговые сигналы содержат компоненты (полезные и помехи), имеющие частотные составляющие, расположенные выше по частоте, чем часто применяемые на практике частоты дискретизации 44.1 кГц или 48.0 кГц делённые на два. Поэтому перед дискретизацией необходима аналоговая фильтрация, представляющая собой довольно сложную задачу. Аналоговые фильтры не могут пропустить все частоты от 0 Гц до 24 кГц и подавить все частоты выше 24 кГц. Любой аналоговый фильтр имеет ненулевую переходную (от пропускания к подавлению) область и, следовательно, вместе с "вредными" компонентами будут подавлены и полезные сигналы из области частот ниже 24 кГц. Кроме того, пытаясь сделать переходную область между полосой пропускания и полосой подавления, усиливаются вносимые фазовые искажения, удлиняется переходный процесс (фильтр начинает "звенеть") и настройка такого аналогового фильтра становиться сложнее. В современных АЦП эта проблема решается методом Oversampling.
1.2. Метод Oversampling
Диапазон частот входного аналогового сигнала ограничивается с помощью сравнительно несложного аналогового фильтра. Частота среза фильтра выбирается значительно выше высшей полезной частоты, а переходная полоса фильтра делается достаточно широкой. Таким образом, исключаются и завал "полезных" высших частот, и фазовые искажения характерные для аналоговых фильтров с узкой переходной полосой. Далее отфильтрованный, с ограниченным по частоте спектром сигнал дискретизируется на достаточно высокой частоте, исключающей наложение и искажение спектра (алиазинг). Затем дискретные отсчёты сигнала преобразуются в последовательность чисел с помощью АЦП. После этого образуется поток цифровых данных, представляющих аналоговый сигнал, включая и нежелательные высокочастотные компоненты и помехи. Эти цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с очень узкой переходной полосой и очень большим подавлением нежелательных высокочастотных компонент. Расчёт и создание таких цифровых фильтров, к тому же не вносящих никаких фазовых искажений, не представляет больших трудностей. После цифрового фильтра получается цифровое представление сигнала, имеющего спектр, правильно ограниченный по частоте. Применяя к такому сигналу теорему Найквиста, резко понижается частота его дискретизации до удвоенной величины наивысшей полезной частотной составляющей [2].
1.3. Прочие методы АЦП
Существует ряд методов аналого-цифрового преобразования: последовательного счета; поразрядного уравновешивания; двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту; параллельного преобразования. Наиболее часто используется метод поразрядного уравновешивания (последовательного преобразования), при этом последовательно формируются коды, начиная с цифры старшего разряда 2n-1 и завершая младшим (первым). Эти коды поступают на ЦАП, выход которого, сравнивается со входным сигналом. В схеме, приведенной на рис.1., приняты следующие условные обозначения: РПП - регистр последовательных преобразований; ГТИ - генератор тактовых импульсов.
При нажатии кнопки пуск ГТИ заносит в старший разряд РПП единицу, при этом код преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с входным сигналом - Uвх. В зависимости от выхода компаратора ГТИ записывает "1" в следующий разряд, а предыдущий разряд, либо оставляется без изменения, либо обнуляется. В Фибоначчевых АЦП для поразрядного уравновешивания используются 1-числа Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8, . . .). Достоинство Фибоначчевых АЦП: избыточность кода Фибоначчи позволяет обнаруживать и исправлять ошибки при наличии помех. Рис. 1. Схема ЦАП
2. Основные функциональные и технические характеристики АЦП
2.1. Структура АЦП
АЦП состоит из восьмиканального блока входных повторителя, мультиплексора входных каналов, активного фильтра низких частот, блока автоматического выбора пределов измерения, блока определения знака, масштабирующего усилителя, двухполупериодного выпрямителя среднего значения, устройства выборки-хранения, регистра последовательных приближений, ЦАП, компаратора, схемы управления, тактового генератора. Блок входных повторителей напряжения необходим для получения требуемого входного сопротивления. Схема определения знака составлена на компараторе, который переключается при переходе входного сигнала через ноль. Схема выбора пределов измерения автоматически изменяет коэффициент передачи, т.е. приводит значение входного сигнала к основному пределу измерения равному 1В. Выпрямитель среднего значения собран на двух операционных усилителях и дает на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного напряжения. Устройство выборки хранения выдает постоянное напряжение на входе АЦП в течение времени преобразования. 2.2. Квантование амплитуды аналогового сигнала
Преобразование аналогового сигнала в цифровой поток данных происходит в два этапа. Первый этап это дискретизация сигнала на основе теоремы Найквиста, с использованием oversampling. Второй этап это квантование амплитуды дискретных отсчётов, полученных на первом этапе. Дискрет - столбик или полоска, схожая с той, что на студийном индикаторе уровня сигнала. Длина этой полоски и есть амплитуда сигнала в дискрете. Процесс квантования амплитуды тогда можно представить как измерение длины полоски с помощью линейки. Чем чаще идут метки на линейке, тем точнее длина полоски (амплитуды) и тем меньше будут ошибки измерений (шумы квантования). Но чем чаще расположены метки на линейки, тем больше бит потребуется для записи числа, соответствующего измеренной длине полоски (амплитуде сигнала в дискрете). Например, если на линейке 32 метки, то для представления длины полоски (амплитуды) в виде числа понадобится максимум 5 бит (32=25). В данном случае 5 бит и будет разрядностью АЦП. Таким образом, процесс квантования амплитуд дискретов фактически заключается в измерении их величин по отношению к некоторому опорному источнику напряжения (линейка в предыдущих объяснениях), обычно имеющемуся внутри корпуса микросхемы АЦП и выражении этих величин в виде чисел состоящих из конечного числа бит. Причём числа могут быть не только целые, например, 16,18,20,24-битные, но и 24 или 32- битные с плавающей точкой или другой кодировкой (например, в кодах с исправлением ошибок), зависящий от конкретной реализации устройства АЦП. Довольно часто используется всё же кодирование результатов измерения амплитуд дискретов в виде целых чисел в так называемом "дополнительном коде". В обычном АЦП число бит на один дискрет (разрядность числа) выходного цифрового потока данных непосредственно с квантователя амплитуд дискретов и на выходе всего АЦП равны, так как числа с квантователя амплитуд поступают непосредственно на выход устройства. В случае входного аналогового сигнала, в виде случайного процесса ошибки, процесса квантования, некорелированны с самим сигналом. Отношение сигнал/шум на выходе АЦП в этом случае (если все остальные элементы идеальны) будет 6·N дБ, где N есть число бит на один дискрет или разрядность чисел (для дополнительного кода) сопоставляемых величинам амплитудам дискретов. Например, для 16-битного АЦП с частотой дискретизации 44,1 кГц в идеальном случае шум квантования будет находиться на уровне 96 дБ по отношению к цифровому синусоидальному сигналу и спектр шума квантования будет равномерен (постоянен) в диапазоне 0 - 22,05 кГц. Если АЦП будет дискретизировать сигнал с большей частотой, то полная мощность шумов квантования останется неизменной, но его спектр будет шире (он будет простираться от 0 Гц до новой, большей частоты дискретизации делённой на 2). Например, если частота дискретизации удваивается до 88.2 кГц, то спектр шумов квантования будет простираться уже до 44,1 кГц (вместо 22,05 кГц). А полезный сигнал будет иметь спектр (как и раньше) простирающийся от 0 Гц до 22,05 кГц, т.е. спектр шума, станет в два раза шире спектра сигнала при прежней мощности шума. Таким образом, мощность шумов квантования "внутри" спектра полезного сигнала упадёт в два раза. Другими словами отношение сигнал/шум квантования в полосе 0 Гц - 22,05 кГц улучшится в два раза (на 3 дБ). Этот процесс можно продолжать. В случае четырехкратного увеличения частоты дискретизации (четырехкратный oversampling) произойдёт улучшение сигнал/шум на 6 дБ. Если использовать 15-битный квантователь на частоте дискретизации 44,1·4 кГц, получится такое же отношение сигнал/шум, как и для 16 битного квантователя и частоты дискретизации 44,1 кГц. Если взять в пределе 1-битного квантователя на частоте дискретизации 44,1·(415) кГц, то получится такое же качество АЦП, как и для 16 битного квантователя на частоте дискретизации 44,1 кГц. С помощью цифровых фильтров подавляются все лишние частотные составляющие в полосе от 22,05 кГц до 44,1·(415)/2 кГц и в полном соответствии с теоремой Найквиста понижают частоту дискретизации до 44,1 кГц. Таким образом, квантователь АЦП не обязательно должен иметь высокую разрядность, для того чтобы выходной поток цифровых данных АЦП имел частоту дискретизации до 44,1 кГц. 2.3. Разрешение и разрядность АЦП
Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП - связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП. Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0...255), поскольку , троичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку .
Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:
Пример 1.
Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ
Разрядность троичного АЦП 12 трит: 312 = 531 441 уровень квантования
Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ
Пример 2.
Диапазон входных значений = от −10 до +10 вольт
Разрядность двоичного АЦП 14 бит: 214 = 16 384 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 вольт = 1,22 мВ
Разрядность троичного АЦП 14 трит: 314 = 4 782 969 уровней квантования
Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 мВ = 4,18 мкВ
На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits - ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности
2.4. Ошибки квантования
Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранён ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от нуля до половины МЗР.
Как правило, амплитуда входного сигнала много больше, чем МЗР. В этом случае ошибка квантования не коррелирована с сигналом и имеет равномерное распределение. Её среднеквадратическое значение совпадает с среднеквадратичным отклонением распределения, которое равно . В случае 8-битного АЦП это составит 0,113 % от полного диапазона сигнала.
2.4.1. Нелинейность
Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путём калибровки.
Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).
2.4.2. Апертурная погрешность (джиттер)
Пусть мы оцифровываем синусоидальный сигнал . В идеальном случае отсчёты берутся через равные промежутки времени. Однако в реальности время момента взятия отсчёта подвержено флуктуациям из-за дрожания фронта синхросигнала (clockjitter). Полагая, что неопределённость момента времени взятия отсчёта порядка , получаем, что ошибка, обусловленная этим явлением, может быть оценена как
* .
Легко видеть, что ошибка относительно невелика на низких частотах, однако на больших частотах она может существенно возрасти.
Эффект апертурной погрешности может быть проигнорирован, если её величина сравнительно невелика по сравнению с ошибкой квантования. Таким образом, можно установить следующие требования к дрожанию фронта сигнала синхронизации:
* ,
где - разрядность АЦП.
Из приведенной ниже Таблицы 1, можно сделать вывод о целесообразности применения АЦП определённой разрядности с учётом ограничений, накладываемых дрожанием фронта синхронизации (clockjitter).
Таблица 1. Разрядность АЦП и максимальная частота входного сигнала
Разрядность АЦП Максимальная частота входного сигнала44,1 кГц192 кГц1 МГц10 МГц100 МГц828,2 нс6,48 нс1,24 нс124 пс12,4 пс107,05 нс1,62 нс311 пс31,1 пс3,11 пс121,76 нс405 пс77,7 пс7,77 пс777 фс14441 пс101 пс19,4 пс1,94 пс194 фс16110 пс25,3 пс4,86 пс486 фс48,6 фс1827,5 пс6,32 пс1,21 пс121 фс12,1 фс24430 фс98,8 фс19,0 фс1,9 фс190 ас Например, бессмысленно использовать прецизионный 24-битный АЦП для записи звука, если система распределения синхросигнала не в состоянии обеспечить ультрамалой неопределённости.
Любой высокоскоростной АЦП крайне чувствителен к качеству оцифровывающей тактовой частоты, подаваемой пользователем. Схема выборки и хранения, по сути, является смесителем (перемножителем). Любой шум, искажения, или дрожание фазы тактовой частоты смешиваются с полезным сигналом и поступают на цифровой выход [3].
2.4.3. Примеры определения ошибок квантования
Пример 1. В результате квантования по уровню значение сигнала выдается в двоичном коде с ценой младшего разряда равного шагу квантования. Определить необходимое число двоичных разрядов и количество уровней квантования при условии, что приведенная среднеквадратическая ошибка квантования не превышает 0,3%.
Решение: При заданном способе квантования погрешность квантования отрицательная и может принимать значения от 0 до x. Где x шаг квантования.
Среднеквадратическая ошибка квантования равна: Приведенная среднеквадратическая ошибка квантования равна: Если N - количество интервалов разбиения динамического диапазона изменения входного сигнала, то количество уровней квантования- m равно:
.
Количество двоичных разрядов двоичного кода:
.
Принимаем n = 7, т. е. для кодирования квантованного сигнала в двоичном коде, с ценой младшего разряда равного шагу квантования и точностью не ниже 0,3% , необходим семиразрядный двоичный код.
Пример 2. Случайный процесс с корреляционной функцией R() квантуется с шагом t. Найти погрешность представления такого процесса рядом Котельникова в зависимости от параметров  и t если Решение: Спектральная плотность этого процесса равна
Определим погрешность, связанную с усечением спектра сигнала по формуле:
Найдем значения спектральных плотностей
При этом выражение для погрешности усечения случайного сигнала имеет вид
Подставив значение F = 1/2t, определяемое в соответствии с теоремой Котельникова, найдем .
Если задана величина погрешности, можно определить шаг квантования. 2.5. Частота дискретизации АЦП
Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.
Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T - период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.
Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП - устройства выборки-хранения - УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение на конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании - хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.
3. Классификация АЦП
Обычно принято классифицировать АЦП на последовательные, параллельно-последовательные и параллельные. Классификация представлена ниже на рис.2. 3.1. Параллельные АЦП прямого преобразования
Параллельные АЦП прямого преобразования, полностью параллельные АЦП, содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр, тогда обработка кода осуществляется программно, либо на аппаратный логический шифратор, аппаратно генерирующий нужный цифровой код в зависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП, в общем случае, зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений.
Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5Г (5х109) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии. Параллельные АЦП прямого преобразования - самые быстрые, но разрешение более 8 бит влечет за собой большие аппаратные затраты ( компараторов). АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.
Рис.3. АЦП параллельного преобразования
Рис.3. показывает упрощенную блок-схему 3-х разрядного параллельного АЦП (для преобразователей с большим разрешением принцип работы сохраняется). Здесь используется массив компараторов, каждый из которых сравнивает входное напряжение с индивидуальным опорным напряжением. Такое опорное напряжение для каждого компаратора формируется на встроенном прецизионном резистивном делителе. Значения опорных напряжений начинаются со значения, равного половине младшего значащего разряда (LSB), и увеличиваются при переходе к каждому следующему компаратору с шагом, равным VREF /23. В результате для 3-х разрядного АЦП требуется 23-1 или семь компараторов. А, например, для 8-разрядного параллельного АЦП потребуется уже 255 (или (28-1)) компараторов.
С увеличением входного напряжения компараторы последовательно устанавливают свои выходы в логическую единицу вместо логического нуля, начиная с компаратора, отвечающего за младший значащий разряд. Можно представить преобразователь как ртутный термометр: с ростом температуры столбик ртути поднимается. На рис. 2 входное напряжение попадает в интервал между V3 и V4, таким образом 4 нижних компаратора имеют на выходе "1", а верхние три компаратора - "0". Дешифратор преобразует (23-1) - разрядное цифровое слово с выходов компараторов в двоичный 3-х разрядный код.
Параллельные АЦП - достаточно быстрые устройства, но они имеют свои недостатки. Из-за необходимости использовать большое количество компараторов параллельные АЦП потребляют значительную мощность, и их нецелесообразно использовать в приложениях с батарейным питанием.
3.2. Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования
Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования, частично последовательные АЦП, сохраняя высокое быстродействие позволяют значительно уменьшить количество компараторов (до , где n - число битов выходного кода, а k - число параллельных АЦП прямого преобразования), требующееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой (при 8-ми битах и 2-х АЦП требуется 30 компараторов). Используют два или более (k) шага-поддиапазона. Содержат в своем составе k параллельных АЦП прямого преобразования. Второй, третий и т.д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения. АЦП этого типа медленнее параллельных АЦП прямого преобразования, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования применяется конвейерная работа параллельных АЦП.
Конвейерная работа АЦП, применяется в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в отличие от обычного режима работы параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в котором данные передаются после полного преобразования, при конвейерной работе данные частичных преобразований передаются по мере готовности до окончания полного преобразования.
3.3. Последовательные АЦП прямого преобразования
Последовательные АЦП прямого преобразования, полностью последовательные АЦП (k=n), медленнее параллельных АЦП прямого преобразования и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, но ещё больше (до , где n - число битов выходного кода, а k - число параллельных АЦП прямого преобразования) уменьшают количество компараторов (при 8-ми битах требуется 8 компараторов). Троичные АЦП этого вида приблизительно в 1,5 раза быстрее соизмеримых по числу уровней и аппаратным затратам двоичных АЦП этого же вида. Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х103) до 1М (1х106) отсчетов/сек.
3.4. АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием
АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N - разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться).
Рис.4. АЦП последовательного приближения.
Рис.4. показывает упрощенную блок-схему АЦП последовательного приближения. В основе АЦП данного типа лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования все выходы этого регистра устанавливаются в логический 0, за исключением первого (старшего) разряда. Это формирует на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП. А выход компаратора переключается в состояние, определяющее разницу между сигналом на выходе ЦАП и измеряемым входным напряжением.
Например, для 8-разрядного АЦП последовательного приближения (рис. 4) выходы регистра при этом устанавливаются в "10000000". Если входное напряжение меньше половины входного диапазона АЦП, тогда выход компаратора примет значение логического 0. Это дает регистру последовательного приближения команду переключить свои выходы в состояние "01000000", что соответственно приведет к изменению выходного напряжения с ЦАП, подаваемого на компаратор. Если при этом выход компаратора по-прежнему оставался бы в "0", то выходы регистра переключились бы в состояние "00100000". Но на этом такте преобразования выходное напряжение ЦАП меньше, чем входное напряжение (рис.5), и компаратор переключается в состояние логической 1. Это предписывает регистру последовательного приближения сохранить "1" во втором разряде и подать "1" на третий разряд. Описанный алгоритм работы затем вновь повторяется до последнего разряда. Таким образом, АЦП последовательного приближения требуется один внутренний такт преобразования для каждого разряда, или N тактов для N-разрядного преобразования.
* Рис.5. Преобразование в АЦП последовательных приближений
* Тем не менее, работа АЦП последовательного приближения имеет особенность, связанную с переходными процессами во внутреннем ЦАП. Теоретически, напряжение на выходе ЦАП для каждого из N внутренних тактов преобразования должно устанавливаться за одинаковый промежуток времени. Но на самом деле этот промежуток в первых тактах значительно больше, чем в последних. Поэтому время преобразования 16-разрядного АЦП последовательного приближения более, чем в два раза превышает время преобразования 8-разрядного АЦП данного типа [4].
3.5. АЦП дифференциального кодирования
АЦП дифференциального кодирования (англ. delta-encodedADC) содер-жат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. В худшем случае время преобразования равно Tmax=(2q)/fс, где q - разрядность АЦП, fс - частота тактового генератора счётчика. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход: дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает в случаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики.
3.6. АЦП сравнения с пилообразным сигналом
АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП, также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких других преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.
3.7. АЦП с уравновешиванием заряда
АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T - период тактового генератора, N - константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. Можно показать, что количество импульсов n, посчитанное за время разряда, равно: n=UвхN(RI0)−1, где Uвх - входное напряжение АЦП, N - число импульсов этапа накопления (определено выше), R - сопротивление резистора, преобразующего входное напряжение в ток, I0 - значение тока от генератора стабильного тока, разряжающего интегратор на втором этапе. Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы (прежде всего, ёмкость конденсатора интегратора) не входят в итоговое выражение. Это является следствием двухстадийности процесса: погрешности, введённые на первом и втором этапах, взаимно вычитаются. Не предъявляются жёсткие требования даже к долговременной стабильности тактового генератора и напряжению смещения компаратора: эти параметры должны быть стабильны лишь кратковременно, то есть в течение каждого преобразования (не более 2TN). Фактически, принцип двухстадийного интегрирования позволяет напрямую преобразовывать отношение двух аналоговых величин (входного и образцового тока) в отношение числовых кодов (n и N в терминах, определённых выше) практически без внесения дополнительных ошибок. Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей, нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования. АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности. 3.8. АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов.
АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов. Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота. Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.
3.9. Сигма-дельта-АЦП
Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую даёт АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. Сигма-дельта-АЦП (называемые также дельта-сигма АЦП) производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путём фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу. Неэлектронные АЦП обычно строятся на тех же принципах.
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. 6. 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. Рис. 6. Сигма-дельта АЦП
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 [4]. 3.10. Коммерческие АЦП
Коммерческие АЦП Как правило, выпускаются в виде микросхем.
Для большинства АЦП разрядность составляет от 6 до 24 бит, частота дискретизации до 1 МГц. Мега- и гигагерцовые АЦП также уже давно доступны. Мегагерцовые АЦП требуются в цифровых видеокамерах, устройствах видеозахвата и цифровых ТВ-тюнерах для оцифровки полного видеосигнала. Коммерческие АЦП обычно имеют выходную ошибку от ±0,5 до ±1,5 МЗР.
Один из факторов увеличивающих стоимость микросхем - это количество выводов, поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединён к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс. Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью.
Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключённых внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор. Различные модели АЦП могут включать в себя устройства выборки-хранения, инструментальные или высоковольтный дифференциальный вход и другие подобные цепи [5].
Заключение
Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Без информации и ее переработки невозможны организованные системы, какими являются живые организмы и искусственные, созданные человеком технические системы.
Информацией называют сведения о тех или иных явлениях природы, событиях в общественной жизни и процессах в технических устройствах. Информация, воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, именуемая "сообщением", является основой при принятии какого-либо решения.
Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми).
Непрерывное (аналоговое) сообщение представляется некоторой физической величиной (электрическим напряжением, током и др.), изменения которой во времени отображают протекание рассматриваемого процесса, например изменения температуры в нагревательной печи. Физическая величина, передающая непрерывное сообщение, может в определенном интервале принимать любые значения и изменяться в произвольные моменты времени.
Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в некоторые моменты времени формируются различные последовательности. Важным является не физическая природа элементов, а то обстоятельство, что набор элементов конечен и поэтому любое дискретное сообщение конечной длины передает конечное число значений некоторой величины.
При дискретной форме представления информации отдельным элементам ее могут быть присвоены числовые (цифровые) значения. В таких случаях говорят о цифровой (числовой) информации. Передача и преобразования, дискретной информации любой формы (например, обычного текста, содержащего обычные буквы и цифры) могут быть сведены к эквивалентным передаче и преобразованиям цифровой информации. Более того, возможно с любой необходимой степенью точности непрерывные сообщения заменять цифровыми путем квантования непрерывного сообщения по уровню и времени. Таким образом, любое сообщение может быть представлено в цифровой форме [6].
Микропроцессорная техника, такая как, электронные вычислительные машины, или компьютеры, являются преобразователями информации. В них исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения. В данной работе были рассмотрены методов преобразования аналоговых данных в цифровые, в таком элементе микропроцессорных устройств, как АЦП, а так же была приведена их подробная классификация.
Список литературы
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1986 г.
2. Киттель Ч. Элементарная статистическая физика, пер. с англ., М., 1960.
3. http://ru.wikipedia.org
4. http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/05_03/stat_adc.htm
5. Нефедов В.И., Сигов А.С., Битюков В. К., Самохина Е. В. Электрорадиоизмерения: учебник для вузов. - М.: Форум, 2009 г.
6. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М.: Энергоатомиздат, 1985 г.
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
265
Размер файла
708 Кб
Теги
курсач
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа