Модуль ввода-вывода информации системы цифровой рентгенографии (стр. 7 из 12)

Интегральная схема (ИС) AD7710 принимает слабые сигналы непосредственно с датчика или какого-либо иного преобразователя и выдает цифровой результат в последовательном формате.

В ИС используется сигма-дельта метод преобразования и достигается разрешение до 24 разрядов без пропущенных ходов. Входной сигнал попадает на внутренний входной каскад с программируемым усилением, совмещаемый с аналоговым модулятором. Выход модулятора обрабатывается внутренним цифровым фильтром. AD7710 идеален для использования в интеллектуальных, основанных на микроконтроллерах системах. Выбор входного канала, установка усиления и задание полярности сигнала выполняются программно с использованием двунаправленного последовательного порта. AD7710 содержит схемы автокалибровки, системной калибровки и фоновой калибровки, а также позволяет пользователю считывать и записывать внутренние регистры калибровки.

Рисунок 4.3 – Общая блок-схема сигма-дельта АЦП

На рисунке 4.3 представлена общая блок-схема сигма-дельта АЦП.

Она содержит следующие элементы:

· устройство выборки-хранения (УВХ);

· дифференциальный усилитель, или вычитатель;

· аналоговый НЧ-фильтр;

· 1-разрядный АЦП (компаратор);

· 1-разрядный ЦАП;

· цифровой НЧ-фильтр.

В ходе преобразования отсчет аналогового сигнала подается на вычитатель вместе с выходом 1-разрядного ЦАП. Отфильтрованный разностный сигнал подается на компаратор, который дискретизует разностный сигнал с частотой, во много раз превышающей частоту дискретизации аналогового сигнала (передискретизация) при помощи УВХ. Передискретизация является самым важным в работе сигма-дельта АЦП. Номинальная частота тактового сигнала генератора – 10 МГц. С выхода компаратора цифровой сигнал поступает на 1-разрядный ЦАП, так что вся схема работает как петля с отрицательной обратной связью, которая стремится свести к минимуму разностный сигнал. Цифровые данные, представляющие аналоговое входное напряжение, содержатся в коэффициенте заполнения последовательности импульсов на выходе компаратора. Эти данные могут быть извлечены в виде параллельного двоичного слова путем цифровой фильтрации.

Рисунок 4.4 – Базовая схема АЦП с уравновешиванием заряда

В общем случае сигма-дельта АЦП описываются порядком аналогового НЧ-фильтра. На рисунке 4.4 приведен простой пример сигма-дельта АЦП первого порядка. Он содержит только НЧ-фильтр первого порядка (интегратор). (Эта схема поясняет происхождение названия такого устройства: АЦП с уравновешиванием заряда).

Схема включает дифференциальный усилитель (вход которого равен разности между аналоговым входом и выходом 1-разрядного ЦАП), интегратор и компаратор. Термин "уравновешивание заряда" отражает тот факт, что эта схема является петлей отрицательной обратной связи, которая стремится удерживать на нуле общий заряд на емкости интегратора, уравновешивая заряд, вносимый входным напряжением, при помощи заряда, вносимого 1-разрядным ЦАП.

Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка.

AD7710 использует сигма-дельта модулятор второго порядка и цифровой фильтр, который определяет скользящее среднее цифрового сигнала. После включения питания или после ступенчатого изменения входного напряжения правильные данные могут быть получены только после определенного времени установления.

Цифровой фильтр AD7710 действует аналогично аналоговому фильтру, но с некоторыми незначительными отличиями.

Так как цифровая фильтрация выполняется после аналого-цифрового преобразования, то она может устранить шум, вносимый в процессе преобразования. Аналоговая фильтрация этого сделать не может.

С другой стороны, аналоговая фильтрация может устранить шум, присутствующий в аналоговом сигнале, до того, как он поступит на АЦП. Цифровая фильтрация этого сделать не может, и шумовые выбросы, наложенные на сигнал, уровень которых близок к концу шкалы, могут вызвать насыщение аналогового модулятора и цифрового фильтра, даже когда средний уровень сигнала лежит в допустимых пределах. Чтобы снять эту проблему, в сигма-дельта модуляторе и цифровом фильтре AD7710 предусмотрен запас по выходу за пределы шкалы, что позволяет сигналу выходить по уровню до 5% за пределы входного диапазона. Если зашумленные сигналы превышают и этот уровень, то нужно выполнять аналоговую фильтрацию входного сигнала, или уменьшить уровень сигнала, чтобы его полный размах был равен половине полной шкалы АЦП. Это даст более чем 100%-й запас по выходу за пределы шкалы за счет уменьшения динамического диапазона на 1 разряд (50%).

Так как в схему AD7710 включен НЧ-фильтр, то при ступенчатом изменении входного сигнала входные данные будут правильными только после определенного времени установления.

4.4 Сигма-дельта аналого-цифровое преобразование

В последние годы благодаря развитию технологических процессов микроэлектроники сигма-дельта АЦП и ЦАП высокого разрешения стали широко применяться в коммерческих разработках. Очень популярны применение СБИС, изготовленных по одномикронной (и менее) технологиям, на одном кристалле сочетающие функции сигма-дельта АЦП, сигма-дельта ЦАП и функции ЦОС. В первую очередь их используют во всевозможных кодеках аналогового сигнала.

В сигма-дельта АЦП аналоговый сигнал квантуется с очень низким разрешением (как правило, 1 бит) на частоте, во много раз превышающей максимальную частоту спектра сигнала. Используя такую методику передискретизации в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность. Для снижения эффективной скорости поступления отсчетов на выходе АЦП применяется децимация. Однобитовые сигма-дельта АЦП и ЦАП обладают превосходной дифференциальной и интегральной линейностью благодаря линейности 1-бит квантователя. Здесь не требуется высокоточная лазерная подгонка, как в других архитектурах АЦП. Структура сигма-дельта ЦАП принципиально не отличается от АЦП, за исключением порядка следования процессов.

Ключевыми моментами для понимания действия сигма-дельта преобразователей являются передескретизация, процесс шумообразования в сигма-дельта модуляторе, цифровая фильтрация и децимация [4].

4.4.1 Передискретизация

Рисунок 4.5 – Дискретизация с использованием низкочастотного фильтра и иллюстрация критерия Найквиста

При классическом подходе к процессу дискретизации (рисунок 4.5) эффективное значение шума квантования в полосе частот от 0 до

составляет

где

– вес младшего разряда, – частота следования выходных отсчетов. Значительная часть шума квантования попадает в рабочую полосу частот. При соблюдении условий теоремы Котельникова (полоса частот полезного сигнала меньше либо равна ) аналоговый фильтр на входе преобразователя должен обладать высокой крутизной спада АЧХ за полосой пропускания. Это необходимо для эффективного ослабления высокочастотных шумов и помех, проникающих в рабочую полосу в результате интерференции с гармониками частоты дискретизации. В подавляющем большинстве случаев это активный ФНЧ. Но добиться удовлетворительного коэффициента гармоник у таких фильтров – весьма непростая задача, также как добиться малых фазовых искажений. При решении данной проблемы возникают глубокие противоречия.

Рисунок 4.6 – Передискретизация при аналоговой и цифровой фильтрациях

Другой способ улучшения разрешения преобразователя – передискретизация (рисунок 4.6). При этом входной сигнал квантуется с частотой

где

– отношение передискретизации, а – частота выходного цифрового потока. Здесь появляется два новых элемента схемы: цифровой фильтр и дециматор – устройство снижения частоты следования отсчетов. Шум квантования в полосе частот от до подавляется цифровым фильтром в выходном потоке, что приводит к улучшению отношения сигнал/шум на величину равную . Кроме того, можно добиться малой неравномерности АЧХ и ФЧХ цифрового фильтра и высокой линейности. Сам же аналоговый фильтр вырождается в простое RC-звено. К сожалению, цена за сверх разрешение высока, потому что для улучшения отношения сигнал/шум на 6 дБ (1 бит) требуется соответственно увеличить коэффициент передискретизации в 4 раза. Для сохранения значения этого коэффициента в разумных пределах можно разбить спектр шума квантования так, что бы основная его часть была между и и только небольшая на отрезке . Эту функцию выполняет сигма-дельта модулятор. После такого распределения цифровой фильтр легко подавит значительную часть энергии шума квантования, и общее отношение сигнал/шум, определяющее динамический диапазон, ощутимо возрастет.