Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007), страница 8

3.1  — 2.8125 В = 0.2875 В Число на выходе нижнего (на Рис. 2.7) преобразователя . Е)з Окончательный результат....................... 9ЕЬ, или 158г) Составные АЦП могут содержать 3 ступени вместо двух; 12-битный преобразователь мог бы иметь, таким образом, 3 параллельных АЦП, каждый на 4 бита. Результат старших 4 битов был бы в этом случае вычтен из входного напряжения, а разность приложена ко входу 4-битного АЦП средней ступени. Полученный результат был бы вычтен из входа АЦП средней ступени, а разность приложена к оставшемуся 4-битному АЦП. Составной преобразователь медленнее, чем параллельный, но содержит гораздо меньше компараторов и, следовательно, потребляет меньший ток. 2.4. Сравнение типов АЦП по основным показателям На Рис. 2.8а показано сравнение по разрешающей способности АЦП четырех типов; интегрирующих, сигма-дельта, последовательного приближения и параллельных.

Из диаграммы следует, что наибольшей разрешающей способностью (12...24 бита) обладают дельта-сигма АЦП, чуть меньшей — интегрирующие (!2...20 битов) и т. д. На графике (Рис. 2.86) АЦП сравниваются по максимальной скорости преобразования. Как видите, скорость доступных сигма-дельта АЦП достигает диапазона АЦП последовательного приближения, но меньше, чем даже у самых медленных параллельных АЦП. Что не показывают эти диаграммы — так это отношение между скоростью и точностью.

Например, хотя вполне возможно найти АЦП последовательного приближения с разрешением в диапазоне 8...16 бит, вы не отыщите 16-битную версию для самых скоростных микросхем данного семейства. Среди параллельных АЦП (самых быстрых из всех АЦП) не встречаются 12-битные преобразователи, есть только 6- или 8-битные. Эти диаграммы можно представить как вфотоснимкив текущего состояния технологии. С улучшением временных характеристик КМОП-мик- 2.5. Устройснгаа выборки-хранения ° 45 тип дцпг Интегрирующий а] Сигма-дельта Последовательных приближений Параллельный 24 8 тб Разрешение ]бит] Тип ДЦП: Интегрирующий б) Сигма.

дельта Последовательных приближений Параллельный ]О ]ОО тк так тООк тм ]ОМ ]ООМ Макс. скорость преобразования ]Гц] (логарифмическая шкала) Рис. 2.8. Сравнение различных типов АЦП росхем, время преобразования последовательного приближения сократилось от десятков микросекунд до единиц и долей микросекунд. Но хотя увеличение быстродействия интегральной КМОП-логики улучшило производительность всех видов АЦП, увеличение функциональности встроенных устройств ЦОС не коснулось, например, АЦП последовательного приближения, а привело к улучшению свойств, главным образом, сигма- дельта преобразователей.

2.5. Устройства выборки-хранения До сих пор рассматривалась работа АЦП при преобразовании постоянного входного сигнала. А что случится, если сигнал будет быстро меняться? На Рис. 2.9 показан АЦП последовательного приближения, пытаюшийся преобразовать быстро изменяюшийся входной сигнал. Допустим, в момент старта преобразования, входное напряжение составляло 2.3 В. Результат преобразования должен быть равным 1174] или 75]у. Регистр АЦП 46 ° Глава 2 Аналого-цифровыв преобразователи устанавливает МВВ (старший значащий бит), вызывая на выходе встроенного ЦАП появление напряжения 2.5 В. Поскольку уровень входного сигнала менее 2.5 В, регистр сбрасывает седьмой бит и устанавливает бит 6 на следующем такте. АЦП отслеживает уровень входного сигнала, заканчивая в итоге с результатом 127 ш (7 В~в). Напряжение на входе в конце преобразования равно 2.8 В, что соответствует коду 143 ш (8Гш). Напряжение входного сигивлв, В ввтельных д Временные интервалы Рис.

2.9. Погрешность АЦП, вызванная изменением входного сигнала Окончательный же выходной код АЦП (127ш) соответствует входному напряжению 2.48 В. Это не начальное входное напряжение (2.3 В) и не конечное (2.8 В). В этом примере используется относительно быстрое изменение входного сигнала для демонстрации эффекта. Медленно изменяющийся входной сигнал приводит к таким же эффектам, но с меньшими ошибками.

Один из методов снижения числа подобных ошибок — это установить перед АЦП НЧ-фильтр, параметры которого выбираются из расчета, чтобы входной сигнал АЦП не изменился значительно за цикл преобразования. Другой путь — удержать изменяющийся входной уровень сигнала добавлением устройства выборки-хранения (зашр1е-апд-Ьо14 с)гсшг, Б/Н) перед АЦП. На Рис. 2.10 показано, как работает устройство выборки-хранения (УВХ).

УВХ обычно содержит аналоговый ключ с управляющим входом. Когда управляющий сигнал переходит в состояние с ВЫСОКИМ логическим уровнем (хранение), отключая емкость хранения от входа, выход УВХ остается на уровне, на каком был вход в момент переключения ключа. Когда ключ замыкается снова, емкость быстро заряжается, и напряжение на выходе УВХ повторяет входное. Обычно УВХ переключается 2.5. Усглройства выборки-хранения ° 47 в режим хранения прямо перед стартом аналого-цифрового преобразования, и обратно после его завершения. При изучении модели УВХ с идеальными параметрами, когда утечка емкости хранения отсутствует и входное сопротивление буферного усилителя бесконечно, выходное напряжение должно оставаться стабильным бесконечно долго.

В реальности, и у емкости есть некоторая утечка, и входное сопротивление буферного каскада имеет конечную величину, так что уровень выходного напряжения будет медленно дрейфовать в направлении потенциала земли в связи с разрядом емкости. Буферный каскаа кдцп Входнои сигнал Управление---- выборксйг хранением ЕМКОСги хранения Входной сигнал Выходное напряжение Управление выборкой/хранением (Π— выборка, 1 — хранение) Рис. 3.10. Устройство выборки-хранения Способность УВХ удерживать выходной сигнал на одном уровне в режиме хранения зависит от качества емкости хранения, характеристик буферного усилителя (в первую очередь входного сопротивления) и качества электронного ключа (реальные электронные ключи также обладают утечкой).

Величина дрейфа напряжения на выходе УВХ в режиме хранения называется скоростью сиада (дгоор га(е) и измеряется в мВ/с, мкВ/с или мВ/мкс. Реальные УВХ к тому же имеют конечное входное сопротивление, так как электронные ключи не идеальны. Это значит, что в режиме выборки емкость хранения заряжается через некоторое сопротивление. Это ограничивает скорость, с которой УВХ может отслеживать входной сигнал. Время, в течение которого УВХ должен оставаться в режиме выборки для того, 48 ° Глава 2 Аналого-цифровые преобразователи чтобы отследить сигнал во всем входном диапазоне, называется временем сбора (асс)ц!зй!оп !!пзе) и измеряешься в мкс или нс. Некоторое входное сопротивление, присутствующее в режиме выборки и емкость хранения образуют паразитный НЧ ЯС-фильтр, ограничивающий максимальную частоту работы УВХ. Данная частота называется максимальныи рабочий диапазон полосы частот (Гц!! )хпчег Ьапди !д!Ь) и измеряется в кГц или МГц.

Как упоминалось выше, электронные ключи не идеальны, и входной сигнал немного влияет на выходной даже в режиме хранения. Это нежелательное явление называется паразитным прохождением сигнала (ГеедгЬгоцяЬ) и измеряется в децибелах. Смещение выходного сигнала (ощрщ о(Гзе!) — это разность напряжений между входом и выходом. В документации смещение выхода обычно указывается для режима выборки и для режима хранения и измеряется в милл и вол ьтах. 2.6. Реальные компоненты Реальные ИС АЦП поступают пользователю с некоторыми недостатками и особенностями, не рассмотренными ранее.

2.6.1. Входные уровни До сих пор рассматриваемые примеры были на основе АЦП с диапазоном входных напряжений 0...5 В. Это распространенный диапазон и для реальных АЦП, однако многие из них работают в более расширенном диапазоне напряжений. ИС АЮ5 70 фирмы А па(оя .Оенсез имеет входной диапазон до 1О В. ИС может быть конфигурирована с использованием всего одного вывода так, чтобы обрабатывать входной сигнал в пределах — 5...5 В, либо 0...10 В. Естественно, для преобразования отрицательного входного напряжения потребуется дополнительный источник питания отрицательной полярности.

Также получили распространение АЦП с диапазонами входных напряжений +2.5 и +3 В. Благодаря всеобщей тенденции снижения потребляемой мощности и сокрашения дополнительного оборудования, производители стремятся сделать АЦП с низким напряжением питания от однополярного источника. Традиционно, однополярные АЦП рассчитаны на напряжение питания 5 В и диапазон входных напряжений 0...5 В.

Самые новые разработки АЦП рассчитываются уже на работу при напряжении питания 3.3 В или даже 2.7 В с соответствующим входным диапазоном О...Чз. 2. 7. Интерфейс микропроцессора ° 49 2.6.2. Встроенный источник опорного напряжения Многие АЦП снабжены встроенным источником опорного напряжения гИОИ). Типичный пример такой ИС с встроенным источником опорного напряжения Чньг = 2.5 В представляет собой АРВ72 фирмы Апа1оВ Ренсев. Выход источника опорного напряжения соединен с одним из выводов микросхемы.

Вход смешения АЦП также подключается к другому выводу корпуса ИС. Таким образом, для использования встроенного источника опорного напряжения надо соединить два вывода микросхемы. Если есть желание использовать свой внешний источник опорного напряжения, можно соединить его со входом смешения АЦП, отсоединив встроенный источник опорного напряжения. 2.6.3.

Дополнительная емкость на входе опорного напряжения Хотя вход смещения АЦП обычно высокоимпедансный с низким потреблением тока, многие АЦП будут отнимать значительный ток на этом входе в момент преобразования. Это особенно касается АЦП последовательного приближения, вызывающих импульс тока при переключении цепочки аналоговых ключей. Следовательно, для большинства АЦП необходимо, чтобы ко входу смещения Чхаг бьща подключена емкость порядка ОА мкФ. 2.6.4.

Встроенное УВХ Многие АДП, такие, например, как гпАХ191 фирмы )ггАХПИ/Ра11ая, снабжены встроенным УВХ. АЦП со встроенным УВХ может иметь отдельный вывод для переключения между режимами выборки и хранения или передачи управления стартом УВХ самому преобразователю.