Сутність аналого-цифрових перетворювачів (стр. 3 из 4)
Рис.1 Схема інтегруючого АЦП на базі ПНЧ
Двійковий лічильник підраховує кількість імпульсів, що поступила від ПНЧ за період Твідл = 1/fвідл, що задається відліковими імпульсами. котрими вміст лічильника заноситься у вихідний регістр. За цим проводиться скидання лічильника. Кількість імпульсів n, що підраховані лічильником за час Твідл:
n = Т відл Uвх сер./Ти RIоп.
Тут Uвх.сер – середнє значення вхідної напруги за увесь період Твідл.
Можна помітно підвищити точність ПНЧ, якщо замість одновібратору підключити D-трігер, що тактується імпульсами стабільної частоти.
11. Сігма-дельта АЦП
АЦП багатократного інтегрування мають багато недоліків. По-перше нелінійність перехідної статичної характеристики операційного підсилювача, на якому зроблений інтегратор, помітно визначається на характеристиці перетворення АЦП з високим розділенням. Для зменшення впливу цього фактору АЦП виготовляють багатоактними. Наприклад 13-розрядний AD7550 виконує перетворення у 4 такти. Іншим недоліком цих АЦП є та обставина, що інтегрування вхідного сигналу займає у циклі перетворення тільки приблизно третину. Дві третини циклу перетворювач не приймає вхідний сигнал. Це погіршує властивості АЦП щодо придушення спотворень. По-третє АЦП багатотактного перетворення повинен мати досить багато наріжних резисторів та конденсаторів з високоякісним діелектриком, що значно збільшує місце, що займає перетворювач на платі.
Ці недоліки усунуті у сигма-дельта АЦП. У цих АЦП є два головних блоки: суматор та інтегратор. Один з принципів у цих перетворювачах, що дозволяє зменшити погрішність, що вноситься спотвореннями – це усереднення результатів вимірів на великому інтервалі часу.
Головні вузли АЦП – сігма-дельта модулятор та цифровий фільтр. Схема N- розрядного сігма-дельта модулятора першого порядку наведена на рис.14.
Рис.14. Сігма-дельта модулятор першого порядку
Робота цієї схеми заснована на відніманні з вхідного сигналу Uвх(t) величини сигналу на виході ЦАП, що здійснена а попередньому такті роботи схеми. Одержана різниця інтегрується, а потім перетворюється у код паралельним АЦП невеликої розрядності. Послідовність кодів поступає на цифровий фільтр нижніх частот.
Порядок модулятора визначається кількістю інтеграторів та суматорів в його схемі. Сігма-дельта модулятори N-го порядку мають N суматорів та N інтеграторів та забезпечують більше співвідношення сигнал-спотворення при тій же частоті відліків, що і модулятори першого порядку. Прикладами сігма-дельта модуляторів високого порядку є одноканальний AD7720 сьомого порядку. Найбільш широко у складі інтегральних мікросхем використовуються однобітні сігма-дельта модулятори, в яких у якості АЦП використовується компаратор, а в якості ЦАП – аналоговий комутатор – рис.15.
Рис.15. Сігма-дельта АЦП першого порядку
На відміну від АЦП з перетворювачами напруга – частота сігма-дельта модулятор синхронізований тактовою частотою fтакт. Вихідний сігма-дельта модульований сигнал є послідовність одиничних та нульових посилок, тривалість яких t = 1/fтакт,а загальна частота – fтакт.При цьому частота одиничних посилок є частотою модулятора і пропорційна модулюючому аналоговому сигналу.
Частота тактових імпульсів вибирається з розрахунку fтакт = fдКдец, де Кдец – коефіцієнт децимації, зниження частоти відліків до значення частоти дискретизації fд при наступному цифровому перетворенні. В найпростішому випадку Кдец = 2N, де N – розрядність формованого цифрового сигналу. Згідно з теоремою Котельникова, для дискретизованого сигналу з верхньою частотою спектру fc повинна виконуватись умова fc < fд/2. Ця умова розповсюджується не тільки на корисний сигнал, але і на супроводжуючі його спотворення. Тому на вході звичайних АЦП встановлюють фільтр нижніх частот.
Для сігма-дельта модулятора тактова частота fт є частотою дискретизації його вхідного сигналу. Оскільки fт в Кдец разів більша за fд, її називають частотою збиткової дискретизації (oversampling). На рис.16 показані епюри напруг звичайного перетворення напруги у частоту (а), і перетворення у сігма-дельта модуляторі (б).
Рис.16. Епюри напруг: а) перетворення напруги в частоту; б) перетворення у сігма-дельта модуляторі
Імпульси при звичайній модуляції мають постійну тривалість, а сігма-дельта - змінну, але кратну t = 1/fт (складаються з одиничних посилок). Зліва на рис.16 записані значення частот проходження імпульсів перетворення у частоту та одиничних посилок сігма-дельта модулятора, що виражені через через t. Справа на рис.16 показана та ж сама послідовність, але синхронізована. Таким чином, сігма-дельта- модульований сигнал це частотно-модульована послідовність одиничних імпульсів, частота яких пропорційна сумі сигналу та шуму синхронізації.
На сьогодні сігма-дельта АЦП – єдині, які можуть виконати 24-розрядне перетворення аналогового сигналу.
12. Системи збирання даних та мікроконвертори
Зараз розповсюджені АЦП, де дані сприймаються з багатьох джерел. Такі АЦП називаються системами збирання даних (dataacquisitionsystem) або мікроконверторами. Функціональна схема мікроконвертора наведена на рис.17.
Рис.17. Функціональна схема мікроконвертора
Основу цієї системи складає АЦП, звичайно АЦП послідовного наближення. Щоб зменшити кількість корпусів інтегральних мікросхем, що потрібні для системи збору даних, у схему вмонтовані ПВЗ та джерело постійного живлення, Для підключення до декількох джерел вхідних аналогових сигналів використовується аналоговий мультіплексор. Щоб зменшити частоту переривань головного процесора деякі системи збору даних мають оперативні запам’ятовуючі пристрої типу FIFO (FirstIn – FirstOut – першим увійшов – першим вийшов). Вимірювальний підсилювач, що входить у систему, змінює свій коефіцієнт підсилення по команді зі схеми керування. Це дозволяє вирівняти діапазони аналогових сигналів з різних входів. Схема керування може включати до себе оперативний запам’ятовуючий пристрій, в який завантажується від головного процессору блок робочих команд. В систему збирання даних вбудовується цифровий таймер, який визначає темп перетворення АЦП.
Характерним прикладом системи збирання даних є AD7581 (вітчизняний аналог 572ПВ4), що містить 8-входовий аналоговий мультиплексор, 8-розрядний АЦП послідовного наближення та запам’ятовуючий пристрій.
Особий клас пристроїв з АЦП – це мікроконвертори. AnalogDevicesстворила прилади програмовані пристрої, що вміщували багатоканальний АЦП, мікро контролер та одно- або двохканальний ЦАП. Такий мікро конвертор приймає аналогові сигнали, перетворює їх у цифрові коди, по програмі мікроконтролера перетворює ці коди та за допомогою ЦАП знову перетворює їх у аналогові сигнали. Мікроконвертор ADuC812 має 8-канальний мультіплексор, ПВЗ, 12-розоядний АЦП послідовного наближення з швидкодією 200 кіловибірок за секунду, 2 12-розрядні ЦАП та мікроконтролер.
13. Інтерфейси АЦП
Цифровий інтерфейс – система, що забезпечує зв’язок АЦП з приймачами цифрових сигналів. Структура цифрового інтерфейсу визначає спосіб підключення АЦП до приймача цифрового коду, зокрема мікропроцесора, або цифрового процесора сигналів.
Найбільш часто використовують спосіб зв’язку АЦП з процесором, при якому АЦП є для процесора як би однією з комірок пам’яті. При цьому АЦП має необхідне число адресних входів, дешифратор адреси і підключається безпосередньо до адресної шини та шині даних процесора. Для цього він повинен обов’язково мати вихідні каскади з трьома станами.
Інша умова спільної роботи АЦП з мікропроцесорами, що називається програмним сполученням, є спільним для будь-яких систем, в які входять ЕОМ та АЦП. Є декілька способів програмного сполучення АЦП з процесорами. Розглянемо головні.
Перевірка сигналу перетворення
Цей спосіб полягає в тому, що команда початку перетворення „Пуск” періодично подається на АЦП від таймера. Процесор знаходиться у режимі очікування від АЦП сигналу перетворення „Готовий”, після якого виходить з циклу, зчитує дані з АЦП та переходить або до слідую чого перетворення, або до виконання головної програми. Тут АЦП виступає як ведучий пристрій (master), а процесор – як відомий (slave). Цей спосіб майже не потребує додаткової апаратури, але він придатний лише в системах, де процесор не дуже завантажений. Цей спосіб дозволяє максимально використовувати продуктивність АЦП. Якщо тривалість обробки даних від АЦП помітно більше, ніж час перетворення АЦП, можна використовувати варіант цього способу, що відрізняється тим, що сигнал „Пуск” поступає від процесора. Процесор виконує головну програму обробки даних, а потім зчитує дані з АЦП та знову його запускає. У цьому випадку процесор виступає у ролі ведучого пристрою, а АЦП – відомого.
Просте переривання
Видавши команду „Пуск”, процесор продовжує роботу по головній програмі. Після закінчення перетворення формується сигнал переривання, який перериває у процесорі обчислення і включає процедуру пошуку периферійного приладу, що надіслав команду переривання. Ця процедура полягає у переборі усіх периферійних пристроїв доки не буде знайдений потрібний. Перевага цього способу у порівнянні з попереднім – більша кількість перетворень за один і той же час, якщо АЦП працює повільно. Якщо АЦП – швидкий, то цей спосіб може виявитись навіть повільнішим, ніж попередній, тому що на обробку переривання може знадобитись значний час.