Уч. пособие - Аналого-цифровые преобразователи сигналов - Бруханский А.В., страница 3

Примерамк могут служить НЛ.710б (отечественный аналог - 5 2ПВ ) с 7 5 с диапазоном +/-2000 отсчетов илн Ж1.7135 (отечественный аналог - 572ПВб) с диапазоном +~-40000 отсчетов. Сигма-дальта АЦП А14П ноготвктиого интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной многотвкт статической характеристики операционного усилий(геля, йа котором выполияигг интегратор, заметным обр зом а и сказьаается на интегральной неликеййостк характеристккк преобразования АЦП высокого разрешения. чя уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают мио отактиыми.

Например, И-разрядный А07550 выполняет преобразование и четыре такта. Другкм недостатком зткх АЦП является то обстоятельство„что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть, Две третн цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющйе свойства инте щего АЦП. В третьих, АЦП мкоготакгного интегрирования должен быть снабжен довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачесгвейным диэлектриком, что з к м что значительно увеличивает место, занймаемое преобразователем йа плате н, как следствие, усйлйвает влйяйне помех. Эти недостатки во многом устранены в конструкции сигма-дельта АЦП (в ракией литературе этн преобразователи назывались А14П с уравновешиванием кли балансом зарядов), Своим названием зти .— „еоб азо атели обязаны налй,ем в ккх двух блоков: сумматора (обозначение операции -8) и интегратора вателях позволяющий (обозначение операции - О ), Один кз принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяю уменьшить погрешность, вносимую шумамк, а следовательио увеличить разрешавшую способность - зто усреднение результатов измерения ка больцюм интервале времени.

Основные узлы АЦП - зто сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема и-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис, 14, Работа этой схемы основана на вычитании нз вхолного сигнала ц (~) величины сигнала йа выходе ЦАЙ, полученной на предыдущем такте работы схемы, Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот. Рие.! 4, Структурная аана еигнв-дельта кицагввв Порядок модулятора определяется чнсленноотъто ннжграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы К-го порядка содержат М сумматоров'н Х интеграторов и обеспечивангг большее соотнощенне снтналйпум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка, Примерамн сигма-дельта модуляторов высокого порядка явапотся одюканальный А07720 седьмого порядка н двухканальный АОМО079 пятого порядка.

Рис.! 5. Ствуктурняя евана еитмв-леяътв АЦП Наиболе~ широко в составе ИМС использутотся однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качества ЦАП - аналоговый юмутатор (рис. 15), Принцип действия поясиеи в табл. 2 иа примере преобразования ющангго сигнала, равюго 0,6 В, прн 11 1 В, Пусть постоянная времени интегрирования интегратора численно равйа псрисду тактовых импульсов. В нулевом периоде выходное напряжение интегратора сбрасывается в нуль. Нэ выходе ЦАП также устанавливается нулевое напряжение Затем схема проходит через показанную в табл, 2 последовательность состояний, И тактовые периоды 2 и 7 состояния системы идентичны, так как при неизменном входном сигнале 11 =0,6 В цикл работы занимает пять тактовых периодов.

Усреднение выходного сигнала ЦАП за цикл действительно дйт величину напряжения О,б В: (1-1+1+1+1)/5 9,6. Для формирования выходного кода такого преобразователя необходимо каким-либо образом преобразовать последовательность бит иа выходе юмпаратора в виде унитарного кода в последовательный нлн параллельный двоичный позицюнный юд. В простейшем случае зто можю сделать с помошью двоичного счетчика. Возьмем в иалтем примере 4»разрядный счетчик, Подсчет бит на выход е юмпаратора за 1б-ти тактный инкл дает число 13.

Несложно увидеть, что прн Ц' -,1. В на выхсде юмпаратора всегда будет единица, что дает за цикл число 16, т.е. переполнение счетчика. Напрея~в, прн Ц„-1 В на вежде юмпаратора всегда будет нуль, что дает равное нулю содержимое счетчика в конце,~рцйа, 8 случае, есдн Ц, О то, как зто видно нз табл. 2, результат счета за цикл составит Зи нли 1ОООр, 6то~чнт„что выходное число АЦП представляется в смещенном коде, В рассмотренном примере верхняя граница полной шпалы составит 111 1т нли +7~о, а ннжияя0000т или -Зд, При 11,„0,6 В, как это видно нз левой половины табл. 2, одержимое счетчика составит 1310 в смещенном коде„что соответствует+5.

Учитывая, что +8 соответствует Ц„=1 В, найдем Это снижает быстродействие систем сбора данных на основе сигма-дельта А14П. Поэтому выпускаются ИМС А07730 и А07731, оснащенные слолаым цифровым фильтром, обеем пвающие переключение каналов со временем установления 1 мс прк сохранении эффективной разрядности ие нкже 13 бит (твк называемый Гам-Втер режим), Обычно цифровой фильтр изготавливается ка том ме кристалле, что и модулятор, но иногда онн выпускаются в виде двух отдельных ИМС (например, А1И555- модулятор четвертого порядка к А1И556- цифровой фильтр). -ЮО О бО 100 150 г, ГМ Уис.

1б, АЧХпнфрввагв фаьтрв снгив.лваьта АЦШ Сравнение сигма-дельта АЦП с АЦП мкоготвкткого кнтегрирования показывает значительные преимушества первых. Прежде вело, линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у А14П миоготактиого интегрирования павкой стоимости, 3го объяскяетоя тем, что интегратор сигма-дельта Аци работает в значительно более узюм динамическом диапазоне„к нелинейность переходной характеристики усилителя, на котором иостраен кктегратор, сказьиается значительно меныпе. Емкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки аикофарвд), так что эпэт конденсатор может бьгть изготовлен прямо на кркстаае ИМС.

Как следствие, сипаижльтп АЦП практкческк не кмеет внешних элементов, по сутцественно сокращает площадь, занимаемую нм на плате, к снижает уровень шумов. Б рр в 24-выводном корпусе, потребляет 3 мВт мощности к сажг примерно 14 долларов США, а 18-разрядный А14П восьиктактиого интегрирования Н1-7159 потребляет 75 мВт и сюит около 30 долларов. К тому же сигма-дельта АЫГ1 начинает давать прэзнльный результат через 3-4 отсчета после скачкообразного изменения входного сигнала, что при вели вне первой частоты реаекцки, равной 50 Гц, и 20-разрядном разрешении составляет 60-80 мс, а минимальное время преобразования АФ Н1-7159 для 18-разрядного разрешения и той же частоты режекции составляет 140 мс.

В настоящее время ряд ведущих по аналого-цнфровым ИМС фирм, тахие ка» ' Апа! оа 0ечсез и Вид-Втоца, превратили производство АЦП миоготактного интегрирования, полностью перейдя а областн АЦ-преобразования высокого разревеккя на сигма-дельта АЦП. ф' к Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеил развитую цифровув часть, включаютпув микроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля к самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты к передавать их по запросу внешнего процессора. Преобрэзовп'гели иэиряжение-чаете га На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быль построены категрнрукппие АЦП, обеспечивакнцие относительно высокую точность преобразования прк низкой стоимости.

Существует несколько аидов ПИЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рнс. 17. По этой схеме построена ИМС 7РС-32 (отечественный аналог110$ПП1). Работает ПНЧ следующим образом. Под действкем полояатгельного входного скпала У напряжение 1~„ на выходе интегратора И уменьшается.

При этом ключ 3 разомкнут, Когда напряжение Ц, умейьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновнбратор, Одковибратор формирует импульс стабильной длительности Т который управляет кпючем, Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Клоч замыкается к ток1 в течение Т„поодупает на вход интегратора„вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный дуопесс скол» повторяется. Импульсы тока 1„, уравноаешнааюг ток, вызываемый вхсдным капражеккем Ц„.

В установиваемск режиме Д Уж=э ЯИ T МеаТ1~ где У, - среднее значение входного иаийааенна за период'Г. Вырюкевяе (14) показывает, что точность преобразование опредевкетсв точностью устаяовая опорного таз $ то аюсгыо выдерваи длжгельнасти импульса одновнбратора Тн, а также точностью раиюора В. Вынесть яондеиагора янтегратора, не оказывает, влияния на частоту ПНЧ. Рюс. 18. Ьвх-аека АЦП иь юаюве ПНЧ Тахнм образом, по сутпеству ПНЧ преобразует входное направление в унитарный код,,цлк его преобразованка в двоичный юзкцвокный мвкио использовать счетчик. Схема янгегрярукндего АЦП на базе ПНЧ приведена яа ркс.