2. Организация ввода-вывода сигналов и данных (1245060), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В данномслучае – это код 011.Недостаток таких АЦП - высокая сложность. Так, n-разрядный параллельный АЦП сдержит2n-1 компараторов и 2n резисторов (при n=10, требуется 1023 компаратора и 1024 резистора). Их точность должнабыть лучше 1/2МЗР. Отсюда - высокая стоимость и значительная потребляемая мощность. Поэтому параллельные АЦП имеют невысокую разрядность (6 - 10), а в некоторых АЦП применяется параллельнопоследовательный принцип, что несколько снижает быстродействие АЦП по сравнению с параллельным АЦП,но зато позволяет получить большее число разрядов, не увеличивая количество компараторов (до 2n–1).ИОНUопUвхR(11 / 2) hR(9 / 2) hUвх,iR(7 / 2) hR(5 / 2) hR(3 / 2) hR(1 / 2) hR/Dh/2К7РГК6D TК5К4К3К2К1Шифратор(13 / 2 ) hб)а)R/111Q2Q1CСинхр.100011CD T110101CD Th010Q0Uвх0010000 1/2h3/2h5/2h7/2h9/2h11/2h13/2hРис.
2. Параллельный 3-разрядный АЦП:а) функциональная схема; б) статическая характеристикаПоследовательные АЦП. АЦП будут давать ошибки, если Uвх не фиксировано во время преобразования. Поэтому между выходом источника сигнала и входом АЦП включают схему выборки-хранения (СВХ), работа которой (рис.3) основана на фиксации мгновенного значения Uвх(t) на время, необходимое для последующегопреобразования в АЦП.3UупрSОУUвхUвыхCхрtUвхtUвыхUупрtРис. 3. Схема выборки-храненияКонденсатор Схр подключается на время выборки к источнику сигнала. Когда ключ S замкнут Uвых=Uвх.При размыкании ключа Uвых сохраняет значение, последнее перед размыканием. Повторитель на операционномусилителе (ОУ) препятствует разряду Схр на нагрузку схемы (входное сопротивление повторителя высокое).Вследствие конечного быстродействия элементов управления СВХ момент поступления команды фиксации имомент действительного размыкания ключа S несколько отстоят друг от друга.
Интервал времени от моментапоступления команды фиксации до действительного момента начала фиксации называется апертурной задержкой СВХ. Оно определяется временем срабатывания переключающей схемы СВХ. Конечное время преобразования АЦП приводит к требованию ограничения скорости изменения входного сигнала.
Именно для того чтобыуменьшить апертурную погрешность и, таким образом, ослабить ограничение на скорость изменения входногосигнала АЦП, на его входе устанавливается СВХ.АЦП последовательного счетаОсновные элементы АЦП (рис.4): компаратор (К), счетчик и ЦАП. На один вход К поступает Uвх, ана другой - сигнал обратной связи с ЦАП (Uос). Работа АЦП начинается с подачи импульса запуска, которыйвключает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов (ГТИ).UвхКВыходной кодDвых (dn-1…d1d0)UосUа)б)UвхUосГТИfтактСхемауправленияСчетчикЗапускЦАПUопtпtРис.
4. Функциональная схема АЦП последовательного счета (a) и временная диаграмма (б)Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока Uос не сравняется с Uвх и переключится К, который своимвыходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переключение выхода К из 1 в 0означает завершение процесса преобразования.Выходной код, пропорциональный Uвх, в момент окончания преобразования считывается с выхода nразрядного счетчика. Время преобразования такого АЦП tпр является переменным и определяется величинойUвх, его максимальное значение соответствует максимальному Uвх и для n-разрядного счетчика и частоты тактовых импульсов fтакт равно t пр.макс 2n1.f тактНапример, при n=10 и fтакт=1 МГц tпр.макс = 1023 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборокпорядка 1 кГц.Таким образом, недостатками АЦП последовательного счета являются:а) небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких кГц;б) переменное время преобразования.Достоинство - сравнительная простота, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.Следящие АЦП - во многом похожи на АЦП последовательного счета, но в них используется реверсивный счётчик.
С приходом каждого тактового импульса состояние счётчика изменяется в ту или другую сторону4в зависимости от сигнала на выходе компаратора, и, таким образом, выход АЦП отслеживает состояние сигналана входе, что и дало название "следящий" этому типу АЦП.АЦП последовательного приближения (с поразрядным уравновешиванием)Это наиболее распространенный вариант последовательных АЦП. Его основные компоненты (рис. 5):компаратор (К), ЦАП и регистр последовательного приближения (РПП).В основе работы подобных АЦП лежит принцип дихотомии - последовательное сравнение Uвх с 1/2, 1/4,1/8 и т.д. от ее максимального значения. Это позволяет для n-разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за n последовательных шагов вместо 2n-1 при использовании АЦП последовательного счета и получитьсущественный выигрыш в быстродействии. Так, уже при n=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить до 105...106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность такого АЦП, определяемая восновном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 разрядов при частоте выборок до 200 кГц.ПускПускСхема управленияВыходной кода)Dвых (dn…d1d0)ГТИб)tfтактtfтакUвхСВХUосКUкUосРППЦАП8hUUвхUос6hГотовUоп4h2hUкРис.
5. АЦП последовательного приближения:а) функциональная схема; б) временные диаграммыдля 4-разрядного АЦП. К – компаратор; РПП – регистрпоследовательного приближения; СВХ – схема выборки/хранения;ГТИ – генератор тактовых импульсовtd3d2d1d00100t1000 0100 0110 0101Окончательно 0100ГотовtпtРассмотрим работу такого АЦП (рис.
5, n=4):- после подачи команды "Пуск" формируется первый тактовый импульс, которым в ст. разряд РПП (d3)записывается 1 (остальные разряды нулевые). Это соответствует подаче на вход ЦАП двоичного кода (1000), а навыходе ЦАП напряжение Uос будет равно половине диапазона Uвх (половине его шкалы), а именно Uос=23 h , где h- квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице МЗР;- это напряжение сравнивается с Uвх на компараторе; если Uвх больше, чем эта величина (Uос), то на выходе К устанавливается 1, а единица в ст.
разряде РПП сохраняется. Если Uвх меньше, чем Uос, то на выходе Кустанавливается 0, а ст. разряд d3 переключается обратно в 0;- вторым тактовым импульсом единица записывается в разряд d2 и процесс повторяется;- процесс повторяется до установления мл. разряда d0, т.е. количество необходимых тактовых импульсовравно числу разрядов преобразователя.Полученный результат может считываться в виде двоичного числа из РПП (параллельный код) или в виде последовательного кода с выхода компаратора.Быстродействие таких АЦП определяется суммой времени установления ЦАП (до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 МЗР), времени переключения компаратора и задержки распространения сигнала в РПП.Т.о., когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяютАЦП последовательного приближения.
В настоящее время такие АЦП позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100 тысяч до 1 млн отсчетов/сек.Интегрирующие преобразователи имеют высокую разрешающую способность (до 18 разрядов),но скорость преобразования от нескольких сотен Гц до нескольких кГц.5Сигма-дельта АЦП (-АЦП). Этот тип особенно востребован, когда необходимо высокое разрешение (20 - 24 разряда). Его название связано с названием двух блоков: сумматор () и интегратор (). Основная идея -АЦП (рис. 6) состоит в том, чтобы во время очередной выборки сигнала определить, есть лиизменение (увеличение/уменьшение) сигнала за один шаг дискретизации по сравнению со значением предыдущей выборки.
Однако, т.к. у АЦП высокого разрешения шаги квантования очень малы, то оказывается, что привыбранной традиционно частоте дискретизации, за время между выборками сигнал может измениться на величину нескольких (10 и более) шагов квантования по уровню.Поэтому предложено частоту выборки брать порядка 1 МГц и более (передискретизация), чтобы "успеть"за сигналом, а затем после обработки в цифровом виде, выборки прореживают (децимация).АЦП состоит из 2 частей.В первой находится аналоговый сумматор , аналоговый интегратор И, компаратор К (с гистерезисом) и переключатель П опорного напряжения.Вторая часть - блок обработки цифровой информации (БЦО), логика его работы достаточно сложна. Обечасти схемы практически работают сами по себе, не влияя друг на друга, за исключением того, что БЦО получаетданные для обработки от первой.Сигнал с выхода интегратора И сначала преобразовывают в цифровую форму с помощью компаратора К(по своей сути это одноразрядный АЦП) – на БЦО поступают биты «1» или «0», в нем они анализируются, и с еговыхода тоже поступают биты «1» или «0», которые снова преобразовывают в аналоговую форму с помощью переключателя П (по своей сути это одноразрядный ЦАП).-АЦП производят преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую(передискретизация), а затем после фильтрации - цифровой обработки - выдает отсчеты на выход АЦП с требуемой (исходной) частотой дискретизации.КомпараторСбросUвх+ U-(одноразрядныйUи«1»/«0»K+Uоп«1»/«0»-UопБЦО – блок цифровой обработкипоследовательныйпотокбитовП - переключательЦифровойфильтрДециматорЦифровые данныеРис.
6. Функциональнаясхема сигма-дельта АЦП(одноразрядныйЦАП)Путем серии последовательных итераций интегратор, компаратор, ЦАП и сумматор дают поток последовательных битов, в котором содержится информация о величине входного напряжения.Такие АЦП могут обеспечивать разрешающую способность до 24 разрядов, но уступают в скорости.Дополнительным и очень важным достоинством -АЦП является то, что все его внутренние узлы могутбыть выполнены интегральным способом на площади одного кремниевого кристалла. Это заметно снижает стоимость конечных устройств и повышает стабильность характеристик АЦП.Помимо АЦП последовательного и параллельного типов существуют еще и АЦП с промежуточнымпреобразованием: Uвх с помощью аналогового интегратора преобразуется во временной интервал между цифровыми импульсами или в частоту следования импульсов. Выходной цифровой код, соответствующий Uвх, формируется в результате измерения длительности временного интервала или частоты следования импульсов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
