Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных по курсу (стр. 2 из 4)
Более эффективным решением является введение аналоговых согласующих цепей усиления и фильтрации сигнала. Однако неверно спроектированные цепи могут стать дополнительными источниками шумов.
1.5. Обработчик цифрового сигнала
Проделав долгий путь, претерпев ряд преобразований, информация об измеряемой физической величине попадает на вход обработчика цифрового сигнала. В качестве него могут выступать микроконтроллеры, микропроцессорные системы, персональные компьютеры или специализированные ЭВМ, в зависимости от сложности ССД.
Данный функциональный блок может выполнять широкий спектр задач, таких как:
– преобразование полученной информации в вид, удобный для отображения на индикаторах и дисплеях;
– цифровая обработка сигнала, усиление, фильтрация с применением БИХ, КИХ фильтров, преобразованием Фурье;
– хранение данных во внутренней или внешней памяти;
– передача данных по тому или иному интерфейсу.
Выводы
Сбор данных представляет собой сложный процесс преобразования измеряемой величины в форму, удобную для обработки. Каждое преобразование входного сигнала, однако, может вносить дополнительные искажения (рисунок 1.3); поэтому задача проектирования системы сбора данных включает в себя подзадачи проектирования ее составных частей. Одним из важнейших звеньев ССД является блок аналого-цифрового преобразования, выполняющий функцию преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму. Проблема выбора АЦП далее будет рассмотрена подробнее.
Рисунок 1.3 – Искажения, вносимые в сигнал
2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
2.1. Алгоритм аналого-цифрового преобразования
Алгоритм аналого-цифрового преобразования включает в себя следующие этапы:
– выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые дискретные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала по времени;
– округление полученной в некоторые моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины до некоторых известных величин, т.е. квантование сигнала по уровню;
– замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами, т.е. кодирование сигнала.
Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой представлен на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Преобразование аналогового сигнала в цифровой
Здесь задана аналоговая последовательность U(t). Для получения ее дискретного эквивалента, необходимо выбрать отдельные ее значения через промежутки времени ТД. Величина ТД называется периодом дискретизации, соответственно процесс замены исходной аналоговой функции U(t)дискретной функцией U(nTД) – дискретизацией.
Полученная функция по-прежнему носит аналоговый характер, так как может принимать бесконечное число различных значений.
Операция квантования по уровню дискретной функции U(nTД) заключается в отображении бесконечного множества ее значений на некоторое конечное множество значений U*n, называемых уровнями квантования. Для выполнения данной операции весь динамический диапазон изменения дискретной функции U(nTД) разбивают на некоторое заданное число уровней N и производят округление каждой величины U(nTД) до ближайшего уровня U*n. Разница между двумя соседними уровнями называется шагом квантования h.
Для выполнения последнего этапа преобразования необходимо выбрать код, который способен отражать не менее (N+1)-го значений и каждому дискретному значению U*n сопоставить некоторый код.
Анализируя данный алгоритм, можно заметить, что процесс преобразования сопряжен с потерей части информации об исходном сигнале при переходе от непрерывной функции к дискретной. Кроме того, процесс квантования сигнала вносит в преобразование некоторую погрешность εi, которая называется шумом квантования. Для устранения данных погрешностей необходимо повышать частоту дискретизации и разрядность АЦП.
2.2. Характеристики АЦП
Микросхемы АЦП, как и любые другие, характеризуются широким спектром различных параметров, начиная от диапазона рабочих температур и заканчивая размером микросхемы. Данные характеристики указываются в документации на конкретную микросхему и должны быть учтены при проектировании реальных устройств.
В каталогах микросхем производители обычно указывают следующие параметры:
– разрядность (4 – 31 бит);
– число выборок в секунду (до 3,6GSPS);
– число каналов (1 – 64) – число аналоговых входов;
– поддерживаемый интерфейс (SPI, I2C, LVDS);
– напряжение питания (униполярное/биполярное) и опорное напряжение (от нескольких до пары десятков вольт);
– диапазон входного сигнала;
– потребляемая мощность (до нескольких десятых долей микроватт);
– цена (самые дешевые АЦП могут стоить меньше доллара; цена микросхем, применяемых в военной и космической отраслях, может достигать нескольких тысяч долларов).
В таблице 2.1 приведены несколько примеров микросхем АЦП, предлагаемых различными производителями.
2.3. Архитектура АЦП
Аналого-цифровые преобразователи подразделяются на два больших класса [6]:
– работающие на частоте Найквиста (Nyquist-rate);
– с передискретизацией (oversampling).
Различия между данными подходами показаны на рисунке 2.2. Здесь спектр частот входного сигнала ограничен частотой fB. Согласно теореме Найквиста-Шеннона (теореме Котельникова), для его восстановления с наперед заданной погрешностью, необходимо дискретизировать его с частотой fs > 2·fB (fs = 2·fB называется частотой Найквиста). Как видно из рисунка 2.2, с ростом частоты дискретизации увеличивается защита от наложения спектров, что снижает шум квантования. Частота передискретизации может в несколько десятков раз превышать частоту Найквиста.
Рисунок 2.2 – Сравнение подходов к выбору частоты дискретизации
Таким образом, в АЦП первого класса алгоритм преобразования должен быть выполнен за один или несколько периодов дискретизации (цикл), в зависимости от спектра частот входного сигнала; АЦП второго класса позволяют затратить на преобразование несколько десятков циклов. Отсюда вытекает основное отличие между преобразователями: АЦП с передискретизацией обладают большей разрядностью, по сравнению с АЦП, работающими на частоте Найквиста; однако их быстродействие меньше. Типовые архитектуры АЦП рассмотрены ниже.
Таблица 2.1 – Параметры микросхем АЦП различных производителей [7 – 10]
| Производитель | Наименование | Архитектура | Разрядность, бит | Число выборок, SPS | Число каналов | Поддерж. интерфейс | Цена, |
| Analog Devices | AD9484 | Конвейерная | 8 | 1G | 1 | Par | $36 |
| AD7995 | Послед. прибл. | 10 | 140K | 4 | I2C/2-Wire | $1,8 | |
| AD6672 | Конвейерная | 11 | 250M | 1 | LVDS | $44,2 | |
| AD10465 | Конвейерная | 14 | 65M | 2 | Par | $754,46 | |
| AD7856 | Послед. прибл. | 14 | 285K | 8 | SPI | $10,2 | |
| AD7714 | Сигма-дельта | 24 | 1K | 5 | SPI | $8,38 | |
| Texas Instruments | TLC5510A | Флеш | 8 | 20M | 1 | Par CMOS | $2,35 |
| ADS7961 | Послед. прибл. | 8 | 1M | 16 | SPI | $2,25 | |
| THS1007 | Конвейерная | 10 | 6M | 4 | Par CMOS | $4,6 | |
| ADC12D1800 | 12 | 3,6G | 2 | $100 | |||
| ADS5400-SP | Конвейерная | 12 | 1G | 1 | LVDS, SPI | $9500,24 | |
| ADS8284 | Послед. прибл. | 18 | 1M | 4 | Par CMOS | $22 | |
| DDC264 | Сигма-дельта | 20 | 6,25K | 64 | $99 | ||
| ADS1282 | Сигма-дельта | 31 | 4K | 2 | SPI | $34,5 | |
| MAXIM | MAX11642 | Послед. прибл. | 8 | 300K | 16 | SPI | $2,2 |
| MAX11101 | Послед. прибл. | 14 | 200K | 1 | Micro wire, QSPI, SPI | $3,55 | |
| MAX1401 | Сигма-дельта | 18 | 4,8K | 5 | SPI | $14 | |
| MAX11202 | Сигма-дельта | 24 | 0,12K | 1 | SPI | $2,45 | |
| Linear Technology | LTC2288 | Конвейерная | 10 | 65M | 2 | Par CMOS | |
| LTC2153-12 | Конвейерная | 12 | 310M | 1 | LVDS | ||
| LTC2497 | Сигма-дельта | 16 | 16 | I2С | |||
| LTC2446 | Сигма-дельта | 24 | 8 | PIS |
2.3.1. Архитектура параллельного преобразования