Уч. пособие - Аналого-цифровые преобразователи сигналов - Бруханский А.В. (774519), страница 2
Текст из файла (страница 2)
7). УВХ2 переводится в режим хранения позже, чем УВХ1 иа время, равное суммарной задержке распространения скгиала по АЦП,1 и ЦАП. Задний фронт такгового сигнала управляет записью кодов в 0- триггеры н выходной регистр. Полная обработка входного смгкала заккмает около двух периодов С1.К, но частота появления новых зкэчеиий выходного кода равна частоте тактового сигнала. Выход данны РнсЛ. Днвтраины работы кеввеернегф АЦП Таким образом, конвейерная архитектура,~~лает суткествекко (в несколько раз) повыснтьмакснмальнув частоту выборок мко :,АЦП.
То, чю прк этом оохраилетсл суммаршя задержка прохождения скгиаяа, обычному многоступенчатому АЦП с равным:числом ступеней, не имеет существенного значения, так как время послФфеогпей цифровой обработки зтих сигналов все рави~ многократно ~ревосходкт зту задачнику. За счет зтого мовпео без проигрыша в бысгродействнн увеличить число ступеней АЦП, покнзив разрядность каищой ступени, В свеео очередь, увеличение числа сгупеней преобразования уменыпает сложность АЦП, Действительно, например, для построения 12-разрядного АЦП нз четырех 3-разрядных необходимо 23 апмпараторов, тогда как его реализация нз двух 6-разрядных потребует 126 ком параторов. Конвейерную архитектуру имеет большое количество выпускаемых в настоящее время многоступенчатьи АЦП.
В частности, 2-ступенчатый 10-разрядный АО9040А„выполнаощий до 40 млн. преобразований в секунду ~МПс), 4-ступенчатый 12-разрядный АР9220 (10 МПс), потребляющий всего 250 мЬт,, и др. При выборе конвейерного АЦП следует иметь в виду, что мкогМ из них ие допускают работу с низкой частотой выборок. Например, изготовитель не рекомендует работу ИМС А09040А с частотой преобразований менее 10 МПс, 3- ступенчатого 12-разрядного АРЮ22 с частотой мекк 2 МПс кт.д.
Зю вызвано тем, его внутренние УВХ имеют довольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования. АЦП вееледоеа гельного ечега Этот преобразователь алле~ел типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями н состоит нз компаратора, счетчика н ЦАП (рис, 8). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а ка другой - сигнал обратной связи с ЦАП. Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступшощкх от генератора такговмх импульсов ГТИ.
Выходной код счетчика пмается на ЦАП, осутдеспааощий его преобразование в напряяеекие обркгиой связи У . Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряженке обратной связи сравкяегся со входным напряжением н переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит коступлеиие тактовых импульсов на счетчик Переход выхода компаратора мз 1 в 0 означает завершение процесса креобразоваккя. Выходной код, пропорциональный входному напряжеккю в малаваля окончания щмобразоеаеа, считывается с выхода счетчика, Время преобразования АЦП зтого типа является переменным и определяется входным напряженнем, Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряженка к при'разрядности двоичного счетчика М и частоте тактовых импульсов Г равно (2~-1~М,' (5) Йапример, при УФ*10 и Г, 1 МГц1 „р 1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.
Выходной гад е), 6) Рис: 8. Струящая схема АЦП песяелеватекьнеге счета Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компэратора, Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в нвх. При работе без устройства выборки-хранения апертурное время совпадает с временем преобразования.
Как следствие, результат преобразования чрезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. При калмчнн высокочастотных пульсаций среднее значение выходного жщэ нелинейно зависит от среднего значения входного напряжения. Это означает, что АЦЙ данного типа без устройства выбор-хранения пригодны для работы с постоянными или медленно нзмеияюппемися иапривееккями, которые за время преобразования изменяются ие более, чем на значение кванта преобразоваюа. Таким образом, особенносп ю А14П последовательного счета является неболыпая частота дискретизации, лостигаюпая нескольких килогерц.
Достоииспюм АЦП данного кпассэ является сравнительная простота построения, определяемая последовательным харангером выполнения процесса преобразования. ~~а ..'а 'ее,Ф"~' . - *оФ АЦП ееосдейовэтедьного пръближении Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с люразр~диьсм ураеиоаешиеаижм, является нанболее распространенным вариантом поащюввтевьиых АИП. В основе работы этого класса преоб~изователей лежит прющип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с '/г, '4е, 4 и тд. от возможного максимального значеикя ее, Это позволяет лля И-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за М последовательных шагов (итераций) вместо 2"-1 при использовании последовательного счета к получить существенный вынгрьпп в быстродействии, Так, ужв при Ы 10 зтат выигрыш достанет 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 10'...10~ преобразований в секунду.
В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в ием ЦАП, может быль очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 13 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГи (например, 03Р101 фирмы Вцгг-Игом). Рассмотрим принципы построения и работь1 АЦП последовательного приближения па примере классической струкеуры (рис. 9а) 4-разрядного ' состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного пр~лижения (РПП) н ФЛ, 10 Данный хаасс АЦП занимает юлаженне ю спяямости и разраиающей способности между посяадпватедью-пэрэляеяьаыми и интегриругощимн АЦП и находит широяое применение в системах управления, поитродя и цифровой обработан сигуа«, Интегрирующие АЦП Недостатяом рассмотренных вьппе последовательных АЦП является:низкая юмехоустойчнвость рсзуяьтато«преобразования., выборка мгювениого значения входюго напряжения, обычно включает слагаемое в виде мгновенного Значения помехи» Впосяедатини при цифровой обработке Ю~ » "»» ' »»~' ~5 вычислительные ресурсы.
В АЦП„» и»вщ', в»ищюй сигиеи лпбо непрерывю» либо на определенном временном иияериаяи, длительность юторого.обычю выбирается иратюй пержяу юмехи. Эго позволяет во многих случаях.падщщ помеху еп~ иа зтаие преобразования. Платой за зто ~вдается пониженное быстродействие иитегрирутощих АЦП АЦП миоготактного интегрнровпнки Упрощенная схема АЦП, работающего «два осювиых такта (АЦП двухгаятного интегрирования), приведена ив рис. 10, ~и, Л. Рнс. 10. Ущещаяная сима АЦП явуятактнмь ннтегрнраяаюи Преобразован яе проходят две стадии»» стад»ио иигегря»»ровэния и сто щ~по счета В иа ура~ первой стадаи ключ 8~ замкнут, а ияюч Бя разом«пут.
Иаагратор И иигегркрует водное ~Вапряжеииэ",ц '. Время рир д Ч гя $1 юстояни,' в яв й ера ьзуМ~Э ~-,6и с иозФФ пересчета К, тая что Аакт (б) К моменту оиоичаяия интегрирования выходное нэпряажние интегратора сост~йфщет Ц„~~>-- ~и~~гФ-- ВЫ ~ ~~- е ЬитФС ' ' щ где 0,ч, - среднее за время т1 входное иаиряэеине. После оиоичэиия стадии интегрирования ключ 8» размыхается, а жиюч Зт замыжается и оюриое напряжение Цр 339Щиюф'-иа вход инЯФратора; Цри: Этом выбирается опорное напряпеиие, позйщ ияадщжуимуаяаэиию.БВфтэйиисиета анходиое напряжекне интегратора лииеВвуменыщМФЖю"абсщщиюй величине .Ваи иоиазаж) парис;41.
Рщ, И. Зуекенньв диаграммы АЦП лВ~Фтахткетэ ннтщйфеаанна ~ ~ у ~Н~ф$Ю опРеделяетса урааиеннем Из этой формулы следует, что отлкчнтелывй особеккостьв метода м~иотакпвто кнтетрнроаакка ' яаляетса то, что ни тактоаая частота, кк аостоаинаа ~Ит~рнроаакка Ж: ие влкаот на Результат. Необходимо ' тольао иотребоаать, чтобы таатозаа частота В течение Времени ц+ФФ остазалась Фюстонниой.
Это можн0 В ' ~~~ фМ~ Временные нли темнературные дрейфы частоты иронсид~т за Времл иесокостааамо %~нее„юн аремл нреоб~азоааниа. -4 Прн Выаоде Выражений (6)...(10) мы акделк, что В оаончателькый Результат Вхадлт не мпваекные ъначекна креобразуемото наирлжйимц а толыв ззэчеккл, усредненные за Времй $1.
ПОухому неременное на7фяжекне ослэбллетса тем склшйВ !%6м $%пш е ф$9 частота. Онределим нозффиинект кередачк тажехи Ккдла АЦП двухтактюто интетрнронаииа. Пусть на Вход Интегратора иостуяает тармокнчесанй снтнал еднкнчиой амклитуды частотой Хс крокзаолькой начальной фазой ,1, Среднее значение зтото сипела за арама кнтегркроаакнк ~ Раюв !' ! . ~р )еа ай~(к + )а®к Эта Величина достнтает максимума ко мамулю крщ +/- РВ, Е О, 1, 2,...
В зтом случае " компенсируется. При этом дрейф нуля определяется только кратковременной нестабильностью, которая очень мала. То же самое сохраняется иа стадии счета. Поскольку в контуре компенсаций смещения нуля после~~вате»п ио включейы два усилителя, то легко могут возникнуть автоколебання, Для стабилизаций последовательно с ключем Бт следует включить резистор. ГЬсле окончания фазы интегрирования схема управления анализирует выходное напряжение компаратора. Если среднее значение входйого напряжения положительно, то йа ~ыходе компарвтора устанавливается напряжение высокого уровня, В этом случае одновременно с размыкайкем ~лю~а ."»» за~ы~аю~~~ ключи Б, н Б», подхл»очая ко входу буферного усилителя конденсатор С с сохраненным ка кем опорным напряженнем, причем так, что это напряжекне имеет полярность, противоположную полярности источника опорного капряжения.
Если среднее значение входного напряженна отрицвтелию, то иа выхаде компаратора устанавливается напряжение низкого уровня. Тогда замыкаются ключи Зз к Зе, подключая ко входу буферного усилителя опорный конденсатор другими полюсамй, В обоих случаях в стадйк счета'происходит изменение напряжения интегратора (».(О в направлении, противоположном тому, киифое имело место в стадии интегрирования, Одновременно схема управления формирует код знака.'Таким образом, и простейшем случае выходкой код АИП представляет собой прямой код со знаком. Интегральные АЦП миоютактного интегрирования изготавливаются в виде полупроводниковых ИМС.
Можно различить две главные группы," е схемы с лараллельным или носяедоеааеяьньж еыхадом для сопря»кения с микропроцессорами (например, 1СЬ7 109, выходное слово которого включает 12 бкт плюс знак в параллельном ! 4-тн илн 8- мн разрядном коде, или 13-1жзрядиый пшос знак МАХ132 с посяедовательным интерфейсом); ° схемы с деаична-десакичными счетчиками с дешмфралюрамн для управления семисегментными ка а и в том числе мультйплекснрованнымн. Такие АЦЙ применяются в качестве основы для цифровых вольтметров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
