Interfaces (527015), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В процессе линейного квантования непрерывный аналоговый сигнал представляется последовательностью прямоугольных импульсов разной амплитуды. Значение амплитуды дискретно и зависит от разрядности n и разрешения  кквантователя, связанных между собой соотношением вида:1к ,2nРасстояние между двумя ближайшими значениями квантованного сигнала получило название шагаквантования.Необходимое значение  к выбирают исходя из требования обеспечения заданного динамическогодиапазона £дин аналогового сигнала, равного отношению максимальной амплитуды сигнала к минимальной. Например, при 16-битном квантовании аналогового сигнала изменяющегося в динамическомдиапазоне 120 дБ разрешение составит 1/65 536 максимальной амплитуды сигнала или 0,0018 дБ.

Крометого, при подключении квантователя к аналоговому датчику необходимо согласовать уровни входных ивыходных сигналов, так чтобы диапазон измеряемых значений (FS) квантователя был равен диапазонувыходных значений (FSO) датчика. Если FS квантователя оказывается меньше FSO датчика, то он преобразует не весь сигнал, а обрезает его на уровне, соответствующем значению FS. Этот эффект, называемый «clipping» является результатом перегрузки квантователя и приводит к появлению помех вцифровом сигнале.

Однако и при согласованных уровнях сигналов возможно возникновение шумовквантования, вызванных слишком большим разрешением квантователя, что приводит к невозможностивосстановления аналоговых сигналов c амплитудой y  FS  к . Чем выше разрядность квантователя,тем ниже уровень шума квантования. Наибольшее значение уровня шума квантования определяют поформуле: 1 U ш к max  20lg   . 2n Например, при 16-битном квантовании U ш к max = -96 дБ, а при 20-битном -120 дБ. Тогда учитывая, что0 дБ — это величина максимального по уровню сигнала, а U ш к max — уровень шума квантования можносчитать, что динамический диапазон квантователя равен U ш к max дБ.Отметим, что при квантовании сигнала, также как и при его дискретизации появляются высокочастотные составляющие, обусловленные наличием ступенек в оцифрованном сигнале.

Чем больше ступенек содержит сигнал, т.е. чем меньше разрешение квантователя (и точнее преобразование), тем ширеспектр сигнала2. Следовательно, увеличение частоты дискретизации и разрядности квантователя ведут красширению спектра оцифрованного сигнала.2Этот эффект был обнаружен американским математиком Дж. Гиббсом и получил название в его честь.Дискретизация сигнала во времени и его линейное квантование по амплитуде называется импульснокодовой модуляцией (англ. Pulse Code Modulation, или PCM). В результате преобразования получаетсяимпульсный сигнал ступенчатой формы. Ширина импульса равна периоду дискретизации 1/ f д , а высота - квантованному значению амплитуды входного сигнала.4.

Аналого-цифровые преобразователи интерфейсных схемАЦП является важнейшим элементом информационной системы и служит для конвертирования аналогового сигнала с выхода измерительной цепи в эквивалентный цифровой сигнал. Конструктивно АЦПвыполняют в виде сборки из дискретных элементов, интегральной схемы или специализированного модуля.Различают три основных типа АЦП: АЦП двойного интегрирования, АЦП с обратной связью и параллельный. Их некоторые характеристики приведены в табл.

2.12.Таблица 2.12Сравнение некоторых типовых схем АЦПТипДвойного интегрированияПериод преобразования, TпСтоимостьБольшой (40 мс)НизкаяС обратной связьюМалый (0,4 – 25 мкс)СредняяПараллельныйОчень малый (25 нс)ВысокаяНазначениеДля типовых вычислений с переменнымвременем преобразования (n = 10 – 18 бит)Для скоростных вычислений (n = 10 бит)Для высокоскоростных вычислений (n = 8 –12 бит)АЦП двойного интегрирования очень популярны, особенно в схемах, где не требуется высокого быстродействия. В частности, их используют в цифровых вольтметрах и мультиметрах.

АЦП осуществляет преобразование в два этапа: сначала входной сигнал преобразуется в функцию времени, которую затем с помощью счетчика импульсов конвертируется в цифровой код. Недостатком этого преобразователя является невысокое быстродействие, прямо зависящее от величины входного сигнала.АЦП с обратной связью выпускают двух типов: АЦП последовательного приближения и следящийАЦП.

Конструктивно они представляют собой интегральные схемы, а их быстродействие постоянно ине зависит от входного сигнала. Принцип действия АЦП последовательного приближения основан насравнении входного сигнала с прецизионным напряжением или током, формируемым схемой АЦП. Дляполучения на выходе n–битного слова необходимо провести n циклов сравнения. Следящий АЦП конструктивно похож на АЦП последовательного приближения (в его состав также входят ЦАП и компаратор); компаратор отслеживает входной аналоговый сигнал и сигнал обратной связи и в соответствии сэтим управляет реверсивным счетчиком.Параллельный АЦП содержит источник опорного напряжения, цепочку резистивных делителей напряжения и компараторы, сигналы с которых и кодируются в n–битное цифровое слово.

Это самый быстрый, но и самый дорогой АЦП из всех выпускаемых: для получения n–битного выходного кода необходимо 2n компараторов.Рассмотрим процесс преобразования сигналов в самом популярном АЦП — n-разрядном АЦП с обратной связью. Проведем квантование аналогового сигнала y (t ) в момент времени t0 , т.е. квантованиенекоторой величины yt0 . Цифровое слово ограничено старшим знаковым разрядом, имеющим наибольшее значение и младшим знаковым разрядом (МЗР), имеющим наименьшее значение.

Ошибкаквантования  к , ограничивающая разрешающую способность АЦП, составляет1 к   МЗР .2Ошибка квантования представляет собой аддитивную ошибку измерения (или ошибку нуля) одинаковую по величине во всем диапазоне измерения. Так, для 10-битного АЦП, измеряющего аналоговый1 10сигнал в диапазоне 0 … 10 В, ошибка квантования будет равна   0,0048 В.2 1024АЦП выпускают для работы с биполярными и униполярными аналоговыми сигналами.

В обоих случаях, амплитуда сигнала на входе АЦП должна быть близка по величине к максимально допустимомудля данного АЦП сигналу. При этом для получения ошибки квантования не более 1 МЗР, амплитудавходного сигнала за время преобразования не должна изменяться более чем, на значение соответствую1щее  к   МЗР . Это условие определяет возможные ограничения по быстродействию и точности2аналого-цифрового преобразования, т.е.

требования к дискретизации и квантованию с помощью конкретного АЦП.Пусть на вход АЦП поступает сигнал видаy  y0 sin t dy Для определения допустимой скорости   изменения входного сигнала продифференцируем это вы dt ражение. Получим dy    y0 cos t dt  dy  y0 . Для конкретности ограничимсяСледовательно, максимальное значение скорости равно   dt maxрассмотрением двухполярного АЦП, когда 2 y0  ymax , и ymax — максимально допустимый для данного АЦП входной сигнал.В АЦП с обратной связью выходной сигнал (код) изменяется с частотой 1 МЗР за такт. Однако, корректное преобразование возможно в случае, если изменение входного аналогового сигнала за такт не1превышает значения МЗР .

Следовательно21МЗРdy 2, Tт dt  доп1 dy где   — допустимая скорость нарастания входного сигнала, Tт и f т — период и частотаfт dt  доптактового генератора АЦП, соответственно. При этом1МЗР =уmax2n.Тогда получим1уmaxуdy 2f т  max f т n dt  доп22n1Приравнивая значения для скоростей, получиму0 2 у0fт2n1Тогда максимальное значение частоты входного сигнала АЦП не должно превышать значенияf1max  т nn22 TтНапример, для 10-битного следящего АЦП с Tт = 1 мкс имеем f max  max  155 Гц. Таким образом,2хотя обновление выходного сигнала производится с частотой 1 МГц, т.е. за 1 мкс, частота входного сигнала не должна превышать 155 Гц.Рассмотрим АЦП последовательного приближения.

Процесс преобразование для n-битного АЦПэтого типа содержит n тактов, причем входной сигнал за такт не должен изменяться более чем на1МЗР1 dy  к   МЗР . Тогда, учитывая, что  2получим2Tт dt  допmax fтn2nСледовательно, для 10-битного АЦП последовательного приближения с Tт = 1 мкс f max maxсоста2вит около 15 Гц.Отметим, что в приведенных расчетах для обеспечения лучшего разрешения АЦП изменение вход1ного сигнала за такт преобразования не превышает  МЗР , что существенно ограничивает возмож2ность обработки высокоскоростных сигналов.

Для улучшения частотной характеристики схемы преобразования перед АЦП устанавливают так называемое устройство выборки и хранения (УВХ). ЦельюУВХ является фиксация мгновенного уровня сигнала, и сохранение его в течение такта преобразования.Быстродействие УВХ ограничивается апертурной задержкой Tа , составляющей 0,3 … 1,0 пс. Тогдаскорость изменения входного сигнала можно увеличить до значения1МЗР dy 2 Tа dt  допПроводя аналогичные вычисления, получим следующее выражение для определения max :1max .n2 TаТаким образом, установив перед 10-битным АЦП схему УВХ и полагая Tа = 0,3 пс, получим f max = 518МГц.

В этом случае, максимальная частота входного сигнала будет ограничена только условием теоремы Котельникова (в данном примере 500 кГц). Если время преобразования АЦП обозначить TАЦП , топри наличии УВХ максимально допустимую частоту входного сигнала можно определить из выражения:1f max 2(TАЦП  Tа )5. Цифровые интерфейсы измерительных системПри классификации цифровых интерфейсов часто используют критерий параллельности или последовательности передачи данных. В параллельных интерфейсах каждый сигнал передается по отдельнойфизической линии, которые объединяют в шины.

Различают три типа шин: шина данных, шина адреса ишина управления. Число линий шины данных обычно соответствует разрядности передаваемого цифрового сигнала, т.е. соответствует разрядности контроллера датчика и его АЦП. С двух сторон шины данных устанавливают ключевые схемы — передатчики и приемники, объединенные в так называемые порты. Каждый передатчик может отключаться от шины данных (путем перевода в высокоимпедансноесостояние), давая, тем самым возможность подключения к шине других передатчиков.

Приемникитранслируют данные на параллельный регистр, запись в который разрешается при наличии соответствующих сигналов на шинах адреса и управления. Структуры шин адреса и управления обычно аналогичны структуре шины данных. Примером параллельного интерфейса является шина ISA, успешно эксплуатируемая еще с 70-х годов прошлого века. Параллельный интерфейс позволяет строить высокоскоростные системы передачи данных. Главными недостатками интерфейса являются его высокая стоимость и ограничение на длину линии связи. Так, длина шлейфа связывающего внешний параллельныйпорт компьютера (LPT) с портом принтера не превышает 3 м.Последовательные интерфейсы не имеют шин данных, адреса и управления и вся информация передается по нескольким проводам.

Характеристики

Список файлов лекций