Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных по курсу (стр. 4 из 4)
Для построения цифрового амперметра может быть использована та же схема, что и для вольтметра, с добавлением преобразователя ток → напряжение. Пример такого преобразователя представлен на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Преобразователь ток → напряжение на основе ОУ
Здесь при помощи резистора R в обратной связи операционного усилителя можно настраивать диапазон напряжений на выходе.
3.2. Измерение температуры
Температура в большинстве случаев является медленно изменяющейся физической величиной, поэтому для ее измерения можно выбирать АЦП с низкими частотами дискретизации. Погрешность температуры, однако, может варьироваться в широком диапазоне.
Наиболее распространенными типами датчиков, которые можно использовать в схемах измерения температуры, являются термопара, резистивный температурный датчик (РТД), термистор и интегральный датчик температуры.
На рисунке 3.3 представлена зависимость сопротивления термопары от температуры. Как видно, зависимость является нелинейной. Следовательно, при обработке оцифрованного сигнала с датчика, необходимо использовать таблицу соответствия цифрового кода и реальной температуры.
Рисунок 3.3 – Зависимость сопротивления термопары от температуры
Для подачи сигнала с резистивных датчиков на вход АЦП целесообразно использовать дифференциальный способ включения с использованием моста Уитсона, как показано на рисунке 3.4. Дифференциальное включение обеспечивает подавление синфазных помех, что снижает погрешность измерения.
Выбор АЦП для измерения температуры можно продемонстрировать на примере: при использовании платинового РТД-элемента с сопротивлением 100 Ом при 0 ºС и питающем токе 200 мкА номинальное значение диапазона полной шкалы выходного напряжения (при -200…+600 ºС) составляет 66,2 мВ. С учетом того, что температура является медленно изменяющимся сигналом, наиболее целесообразно использовать в данной схеме сигма-дельта АЦП.
Рисунок 3.4 – Дифференциальное включение датчиков
Принципиальная схема измерения температуры с применением сигма-дельта АЦП показана на рисунке 3.5 [4]. АЦП преобразует слабый сигнал резистивного температурного датчика, включенного по четырехпроводной схеме, в цифровой код. Для питания датчика используется источник тока 200 мкА, расположенный в преобразователе. Для устранения эффекта наложения спектров используются простейшие ФНЧ.
Рисунок 3.5 – Принципиальная схема измерения температуры
Данная схема сочетает высокую точность работы четырехпроводной схемы включения РТД-элемента и возможности сигма-дельта преобразователя. По двум проводам РТД протекает питающий ток, а с двух оставшихся напряжение сигнала термо-элемента поступает на дифференциальные входы сигма-дельта АЦП.
3.3. Измерение освещенности
Для измерения освещенности в качестве датчиков используются фотодиоды. Фотодиоды преобразуют энергию светового потока в слабый ток, пропорционально уровню излучения источника света. Далее полученный ток преобразуется с помощью предварительного усиления в требуемый для дальнейшей обработки уровень напряжения.
Освещенность, в отличие от температуры, может изменяться с достаточно быстрой скоростью, поэтому сигма-дельта АЦП менее эффективны. Принципиальная схема измерения освещенности с применением АЦП последовательного приближения показана на рисунке 3.6 [4]. Световой поток, попадающий на фотодиод, вызывает в нем появление обратного тока, который протекает через резистор обратной связи RF. Напряжение на аноде фотодиода и неинвертирующем входе усилителя поддерживается на уровне 300 мВ по отношению к потенциалу земли, что помогает избежать искажения выходных сигналов усилителя, близких к потенциалу земли. ФНЧ подавляет высокочастотные составляющие, вносимые в сигнал операционным усилителем, после чего сигнал поступает на вход АЦП последовательного приближения.
Как видно из рисунка, необходимость усиления измеряемого сигнала значительно усложняет схему, требует введения дополнительных аналоговых цепей, которые, в свою очередь, вносят искажения в сигнал, что в конечном итоге увеличивает погршеность получаемых данных.
Для измерения освещенности также можно использовать сигма-дельта АЦП. При этом с одной стороны погрешность измерения повышается из-за невысокого быстродействия АЦП; с другой стороны – снижается, так как используется меньше аналоговых элементов.
Рисунок 3.6 – Принципиальная схема измерения освещенности
Выводы
При проектировании схемы для измерения той или иной физической величины первичными параметрами для выбора АЦП являются входной диапазон этих величин, скорость их изменения и допустимая погрешность измерения. Использование сигма-дельта АЦП позволяет снизить погрешность за счет высокой разрядности и возможности работы с малыми по величине сигналами. АЦП последовательного приближения позволяют получать меньшую погрешность измерения при работе с быстро изменяющимися сигналами; однако требуют введения в схему дополнительных компонентов, которые являются источниками шумов и искажают измеряемый сигнал.
4. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП В СИСТЕМАХ СБОРА ДАННЫХ
4.1. Многоканальные системы сбора данных
Как правило, системы сбора данных проектируются для получения информации о нескольких физических величинах, которые могут быть, как сконцентрированы в одном месте, так и разнесены в пространстве. Кроме того, ССД могут составлять иерархическую структуру, состоящую из отдельных систем и подсистем.
В простейшем случае организовать сбор данных по нескольким каналам можно путем использования нескольких АЦП в схеме, как показано на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Многоканальная ССД с несколькими АЦП
При такой организации системы сбор и обработка информации производятся параллельно и независимо; обеспечивается максимальная скорость опроса каждого из каналов. Недостатком являются большие аппаратные затраты.
Другой подход к организации многоканальности – введение аналогового мультиплексора (АМ) в схему, как показано на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Многоканальная ССД с аналоговым мультиплексором
АМ осуществляет коммутацию аналогового сигнала с одного из каналов, в зависимости от логики управления, на вход аналого-цифрового преобразователя. Аппаратные затраты при этом ниже, равно как и скорость опроса каналов.
Существует множество АЦП, в которых многоканальность обеспечивается внутрисхемно. Число аналоговых каналов в таких микросхемах может достигать 64.
4.2. Микросхемы многоканальных АЦП
В качестве примера на рисунке 4.3 представлена структурная схема микросхемы DDC264 фирмы Texas Instruments.
Рисунок 4.3 – Структурная схема АЦП DDC264
Микросхема представляет собой 20-битный 64-канальный АЦП с сигма-дельта архитектурой. На каждом из входов установлен интегратор с двойной коммутацией, обеспечивающий непрерывное накопление сигнала: в течение цикла оцифровки текущей порции сигнала происходит накопление следующей. Настраиваемое время интегрирования может меняться от 160μс до 1с, что позволяет измерять с заданной погрешностью токи порядка μA и fA.
В микросхеме используется внешний источник опорного напряжения (ИОН), величина которого может составлять 2…AVDD + 0.3В; величина AVDD – -0.3…+6В.
Другим примером многоканального АЦП является микросхема MAX1280 фирмы MAXIM, структурная схема которой представлена на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 – Структурная схема АЦП MAX1280
Микросхема представляет собой 12-битный 8-канальный АЦП с архитектурой последовательного приближения. Коммутация входных каналов с АЦП производится при помощи аналогового мультиплексора, с помощью которого также можно настроить АЦП на работу с дифференциальным входом.
Микросхема содержит внутренний источник опорного напряжения +1,22В с низким уровнем дрейфа и внутренний тактовый генератор.
Выводы
Существует два подхода к организации многоканального аналого-цифрового преобразования: с применением параллельного и последовательного опроса каналов. При реализации того или иного подхода необходимо провести оценку скорости изменения входных сигналов. При последовательном опросе частота сигнала, преобразуемого за один цикл опроса, примерно сопоставима с суммой частот входных сигналов. Соответственно, необходимо выбирать АЦП с таким же быстродействием. При параллельном опросе необходимо предусмотреть организацию хранения и передачи цифровых сигналов, получаемых с выходов отдельных АЦП.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Система_сбора_данных
2. Lan Grout, Digital Systems Design with FPGAs and CPLDs, 2008. – 724 p. – ISBN-13: 978-0-7506-8397-5
3. Котюк А.Ф., Датчики в современных измерениях. – М.: Радио и связь, Горячая линия – Телеком, 2006. – 96с.: ил. – (Массовая радио-библиотека; Вып. 1277).
4. Бонни Бейкер, Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике /Бонни Бейкер; пер. с англ. Ю.С.Магды. – М.: Додэка-XXI. 2010. – 360 с.: ил. – (Серия «Схемотехника»). –Доп. тит. англ. – ISBN 978-5-94120-170-9
5. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И., Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под ред. О.П.Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 768 с.: ил.
6. Franco Maloberti, Data Converters, 2007. – 440 p. – ISBN-13: 978-0-387-32485-2(HB)
7. Материалы официального сайта фирмы Analog Devices http://www.analog.com/
8. Материалы официального сайта фирмы Texas Instruments http://www.ti.com/
9. Материалы официального сайта фирмы MAXIM http://www.maxim-ic.com/
10. Материалы официального сайта фирмы Linear Technology http://www.linear.com/
11. Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. 7-е. М.: Мир, БИНОМ. – 2009. – 704 с., ил.