Учебное пособие по АЦП (1014648), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершенияпереходных процессов в них.При работе без устройства выборки-хранения апертурное время совпадает с временем преобразования.Как следствие, результат преобразования чрезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. Приналичии высокочастотных пульсаций среднее значение выходного кода нелинейно зависит от среднего значениявходного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборки-хранения пригодны дляработы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразованияизменяются не более, чем на значение кванта преобразования.Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации,достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простотапостроения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.8АЦП последовательного приближенияПреобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием,является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательногосравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д.
от возможного максимального значения ее. Это позволяет дляN-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за Nпоследовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получитьсущественный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяетполучить с помощью таких АЦП до 105...106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешностьэтого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, чтопозволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц(например, DSP101 фирмы Burr-Brown).Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примереклассической структуры (рис.
9а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов:компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на входЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому напряжение Uос навыходе ЦАП (рис. 9б) равно Uос=23h, где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единицемладшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов.Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше,то 0.
В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d 3 обратно в состояниенуля. Непосредственно вслед за этим остаток Uвх - d3 23 h таким же образом сравнивается с ближайшим младшимразрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближенияоказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение,соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельногодвоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно изрис.
9б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП доустановившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора t к изадержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t з.
Сумма tк + tз являетсявеличиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младшихразрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации f такт возможноуменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом ифактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути зависитот входного сигнала, т.е. является переменным.
Возникающие при этом апертурные погрешности носят такженелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, междуего входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых внастоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядныйAD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-9hold), управляемые сигналом запуска АЦП.
Устройство слежения-хранения отличается тем, что постояннонаходится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающейспособности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение всистемах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.Интегрирующие АЦПНедостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивостьрезультатов преобразования.
Действительно, выборка мгновенного значения входного напряжения, обычновключает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработкепоследовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время ивычислительные ресурсы. В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либона определенном временнoм интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Этопозволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженноебыстродействие интегрирующих АЦПАЦП многотактного интегрированияУпрощенная схема АЦП, работающего в два основных такта (АЦП двухтактного интегрирования),приведена на рис.
10.Преобразование проходит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета. В начале первой стадииключ S1 замкнут, а ключ S2 разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение U вх. Времяинтегрирования входного напряжения t1 постоянно; в качестве таймера используется счетчик с коэффициентомпересчета Kсч, так что(6)К моменту окончания интегрирования выходное напряжение интегратора составляет(7)где Uвх.ср.
- среднее за время t1 входное напряжение. После окончания стадии интегрирования ключ S1размыкается, а ключ S2 замыкается и опорное напряжение Uоп поступает на вход интегратора. При этомвыбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению. На стадии счета выходноенапряжение интегратора линейно уменьшается по абсолютной величине, как показано на рис. 11.10Стадия счета заканчивается, когда выходное напряжение интегратора переходит через нуль. При этомкомпаратор К переключается и счет останавливается. Интервал времени, в котором проходит стадия счета,определяется уравнением(8)Подставив значение Uи(t1) из (7) в (8) с учетом того, что(9)где n2 - содержимое счетчика после окончания стадии счета, получим результат(10)Из этой формулы следует, что отличительной особенностью метода многотактного интегрированияявляется то, что ни тактовая частота, ни постоянная интегрирования RC не влияют на результат.
Необходимотолько потребовать, чтобы тактовая частота в течение времени t1 + t2 оставалась постоянной. Это можнообеспечить при использовании простого тактового генератора, поскольку существенные временные илитемпературные дрейфы частоты происходят за время несопоставимо большее, чем время преобразования.При выводе выражений (6)...(10) мы видели, что в окончательный результат входят не мгновенныезначения преобразуемого напряжения, а только значения, усредненные за время t 1.
Поэтому переменноенапряжение ослабляется тем сильнее, чем выше его частота.Определим коэффициент передачи помехи Кп для АЦП двухтактного интегрирования. Пусть на входинтегратора поступает гармонический сигнал единичной амплитуды частотой f с произвольной начальной фазой. Среднее значение этого сигнала за время интегрирования t1 равно(11)Эта величина достигает максимума по модулю при = +/- k, k=0, 1, 2,... В этом случае(12)Из (12) следует, что переменное напряжение, период которого в целое число раз меньше t 1, подавляетсясовершенно (рис.
12). Поэтому целесообразно выбрать тактовую частоту такой, чтобы произведение K сч fтактбыло бы равным, или кратным периоду напряжения промышленной сети.11Автоматическая коррекция нуля. Преобразование биполярных входных сигналовКак следует из (10), статическая точность АЦП многотактного интегрирования определяется толькоточностью источника опорного напряжения и смещением нуля интегратора и компаратора, которыесуммируются с опорным напряжением. Смещение нуля можно устранить автоматической компенсацией. Дляэтого в цикл преобразования вводят дополнительную стадию установки нуля (см. рис. 11), во время которойинтегратор отключается от источников сигналов и совместно с компаратором охватывается глубокойотрицательной обратной связью, как это показано на рис 13. Здесь в качестве компаратора используется ОУ.Между интегратором и входом АЦП включен неинвертирующий повторитель в качестве буферного усилителя Б.В фазе автоматической компенсации нуля ключи S1, S3, S5 разомкнуты, а ключи S2, S4, S6, S7 - замкнуты.Поэтому интегратор, компаратор и буферный усилитель образуют повторитель напряжения, выходноенапряжение которого Uк подается на конденсатор автоматической компенсации Сак Входное напряжениебуферного усилителя равно нулю, а выходное - его смещению нуля U0б После окончания переходных процессовна конденсаторе Сак установится напряжение, равное U0б+U0и, где U0и - смещение нуля интегратора.Одновременно конденсатор Соп заряжается от источника опорного напряжения.На стадии интегрирования входного напряжения ключи S4 и S7 размыкаются, а S1 - замыкается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
