Учебное пособие по АЦП (1014648), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Емкость конденсатораинтегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки пикофарад), так что этот конденсатор может бытьизготовлен прямо на кристалле ИМС. Как следствие, сигма-дельта АЦП практически не имеет внешнихэлементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов. Врезультате, например, 24-разрядный сигма-дельта АЦП AD7714 изготавливается в виде однокристалльной ИМСв 24-выводном корпусе, потребляет 3 мВт мощности и стоит примерно 14 долларов США, а 18-разрядный АЦПвосьмитактного интегрирования HI-7159 потребляет 75 мВт и стоит около 30 долларов. К тому же сигма-дельтаАЦП начинает давать правильный результат через 3-4 отсчета после скачкообразного изменения входногосигнала, что при величине первой частоты режекции, равной 50 Гц, и 20-разрядном разрешении составляет 60-80мс, а минимальное время преобразования АЦП HI-7159 для 18-разрядного разрешения и той же частотырежекции составляет 140 мс.
В настоящее время ряд ведущих по аналого-цифровым ИМС фирм, такие какAnalog Devices и Burr-Brown, прекратили производство АЦП многотактного интегрирования, полностью перейдяв области АЦ-преобразования высокого разрешения на сигма-дельта АЦП.15Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеют развитую цифровую часть, включающуюмикроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полнойшкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего процессора.Преобразователи напряжение-частотаНа базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП,обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости.
Существует нескольковидов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурнаясхема такого ПНЧ приведена на рис. 17. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог 1108ПП1).Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U вх напряжение Uина выходе интегратора И уменьшается.
При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U и уменьшится до нуля,компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильнойдлительности Ти, который управляет ключем. Последовательность этих импульсов является выходным сигналомПНЧ. Ключ замыкается и ток Iоп в течение Ти поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходногонапряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.Импульсы тока Iоп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением Uвх. В установившемсярежимеОтсюда следует(14)где Uвх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (14) показывает, что точностьпреобразования определяется точностью установки опорного тока I оп, точностью выдержки длительностиимпульса одновибратора Ти, а также точностью резистора R.
Емкость конденсатора интегратора не оказываетвлияния на частоту ПНЧ.Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для егопреобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базеПНЧ приведена на рис. 18. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за периодТотсч=1/fотсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистрзащелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за времяТотсч,16.Здесь Uвх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т отсч.Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактируемый импульсамистабильной частоты D-триггер.
Несложно убедиться (см. рис. 17), что в этом случае ПНЧ превращается воднобитный сигма-дельта модулятор.Системы сбора данных и микроконверторыПостепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройствомвыборки-хранения, АЦП со сложной цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченныеоднокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов,поступающих от многих датчиков и передачу их на микроЭВМ.
Блок-схема развитой системы сбора данныхприведена на рис. 19.Основу системы составляет АЦП, обычно АЦП последовательного приближения. Чтобы уменьшить числокорпусов ИМС, необходимых для создания системы сбора данных, в схему встроены УВХ и источник опорногонапряжения. Для подключения к нескольким источникам входных аналоговых сигналов используетсяаналоговый мультиплексор. Чтобы сократить частоту прерываний главного процессора некоторые системы сбораданных снабжаются оперативным запоминающим устройством обратного магазинного типа FIFO - first input first output (первый вошел - первый вышел).
Измерительный усилитель УПК, входящий в систему, меняет свойкоэффициент усиления по команде от схемы управления. Это позволяет выровнять диапазоны аналоговыхсигналов с различных входов.Схема управления может включать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в которое загружаетсяот главного процессора блок рабочих команд. Эти команды содержат сведения о том, какие операционныережимы использовать, какие из входных каналов должны быть однопроводными, а какие - объединяться собразованием дифференциальных пар, насколько часто и в каком порядке следует производить выборку длякаждого канала.
Встроенный в систему сбора данных цифровой таймер определяет темп преобразования АЦП.Характерным примером системы сбора данных является AD7581 (отечественный аналог - 572ПВ4),содержащая 8-входовый аналоговый мультиплексор, 8-разрядный АЦП последовательного приближения, изапоминающее устройство FIFO с организацией 8х8 бит. Другой пример - AD1В60, включающая 8-входовыйаналоговый мультиплексор, измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления от 1 до128, 16-разрядный АЦП на основе интегрирующего ПНЧ, ИОН, микропроцессор, ОЗУ режима и ПЗУконфигурации.
Одной из наиболее развитых является система сбора данных LM12458, которая содержит 8входовый аналоговый мультиплексор, УВХ, 13-разрядный АЦП последовательного приближения, память типаFIFO с организацией 32х16 бит, ОЗУ команд и 16-битный цифровой таймер.Для повышения быстродействия установление коэффициента передачи и выборка данных можетосуществляться по каждому каналу индивидуально. Так, например, 4-х канальная система сбора данных AD7865содержит четыре цепи масштабирования входного сигнала и четыре устройства слежения/хранения, включенныедо мультиплексора.Особый класс устройств с аналого-цифровыми преобразователями представляют собой микроконверторы.Некоторое время назад были попытки создания аналоговых программируемых матриц, т.е.
устройств,включающих операционные усилители и другие аналоговые ячейки, связи между которыми можно былоустановить программным путем. Эти попытки коммерческого успеха не имели. Недавно некоторые фирмы,например, Analog Devices, начали выпуск программируемых устройств для преобразования аналоговых сигналов,включающих многоканальный АЦП, микроконтроллер и одно- или двухканальный ЦАП. Такой микроконверторпринимает аналоговые сигналы, преобразует их в цифровые коды, по программе, записанной в ПЗУ17микроконтроллера, обрабатывает эти коды и с помощью ЦАП вновь преобразует результаты в аналоговыесигналы.
Уступая чисто аналоговой только в быстродействии, такая схема отличается большой функциональнойгибкостью и точностью. В частности, микроконвертор ADuC812 содержит 8-канальный мультиплексор, УВХ, 12разрядный АЦП последовательного приближения с производительностью 200 кПс, два 12-разрядных ЦАП имикроконтроллер с системой команд семейства MCS-51.Интерфейсы АЦПВажную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е.
схемы,обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяетспособ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, микропроцессору, микроконтроллеру илицифровому процессору сигналов. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхнейграницы частоты преобразования АЦП.Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессоракак бы одной из ячеек памяти.
При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса иподключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должениметь выходные каскады с тремя состояниями.Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессорами, называемое программнымсопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способовпрограммного сопряжения АЦП с процессорами. Рассмотрим основные.Проверка сигнала преобразования.
Этот способ состоит в том, что команда начала преобразования"Пуск" периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигналаокончания преобразования "Готов", после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствиис ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновьвходит в цикл ожидания.
Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор - ведомого(slave). Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессорне слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП.Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.Если длительность обработки данных от АЦП составляет заметно больше времени преобразования АЦП,можно использовать вариант этого способа, отличающийся тем, что сигнал "Пуск" поступает от процессора.Процессор выполняет основную программу обработки данных, а затем считывает данные с АЦП и вновьзапускает его. В этом случае процессор выступает в роли ведущего устройства, а АЦП - ведомого.Простое прерывание. Выдав команду "Пуск", процессор продолжает работу по основной программе.После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает в процессоре вычисленияи включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания.
Эта процедура состоит впереборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способапо сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, еслииспользуемый АЦП работает медленно. Если же АЦП быстродействующий, то этот способ работы можетоказаться даже медленнее предыдущего, так как на обработку прерывания требуется значительное время.Векторное прерывание.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
