Курсовая работа: Аналого-цифровые преобразователи
В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток
Uвх - d3 23 h
таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается 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 параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рис. 9б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.
Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения tз . Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fтакт возможно уменьшение 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 и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.
Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.
4.3 Интегрирующие АЦП
Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Действительно, выборка мгновенного значения входного напряжения, обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке последовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время и вычислительные ресурсы. В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временнoм интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.
4.3.1 АЦП многотактного интегрирования
 |
?????????? ????? ???, ??????????? ? ??? ???????? ????? (??? ???????????? ??????????????), ????????? ?? ???. 10.
Преобразование проходит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета. В начале первой стадии ключ S1 замкнут, а ключ S2 разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение Uвх . Время интегрирования входного напряжения t1 постоянно; в качестве таймера используется счетчик с коэффициентом пересчета Kсч , так что
 |
 |
? ??????? ????????? ?????????????? ???????? ?????????? ??????????? ?????????? (7)
где Uвх.ср. - среднее за время t1 входное напряжение. После окончания стадии интегрирования ключ S1 размыкается, а ключ S2 замыкается и опорное напряжение Uоп поступает на вход интегратора. При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению. На стадии счета выходное напряжение интегратора линейно
 |
??????????? ?? ?????????? ????????, ??? ???????? ?? ???. 11.
 |
?????? ????? ?????????????, ????? ???????? ?????????? ??????????? ????????? ????? ????. ??? ???? ?????????? ? ????????????? ? ???? ???????????????. ???????? ???????, ? ??????? ???????? ?????? ?????, ???????????? ??????????
 |
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 интегрирования является то, что ни тактовая частота, ни постоянная интегрирования RC не влияют на результат. Необходимо только потребовать, чтобы тактовая частота в течение времени t1 +t2 оставалась постоянной. Это можно обеспечить при использовании простого тактового генератора, поскольку существенные временные или температурные дрейфы частоты происходят за время несопоставимо большее, чем время преобразования.
При выводе выражений (6)...(10) мы видели, что в окончательный результат входят не мгновенные значения преобразуемого напряжения, а только значения, усредненные за время t1 . Поэтому переменное напряжение ослабляется тем сильнее, чем выше его частота.
Определим коэффициент передачи помехи Кп для АЦП двухтактного интегрирования. Пусть на вход интегратора поступает гармонический сигнал единичной амплитуды частотой f с произвольной начальной фазой j. Среднее значение этого сигнала за время интегрирования t1 равно (11)
 |
Эта величина достигает максимума по модулю при = +/- k, k=0, 1,
 |
 |
2,... ? ???? ?????? (12)
Из (12) следует, что переменное напряжение, период которого в целое число раз меньше t1 , подавляется совершенно (рис. 12). Поэтому целесообразно выбрать тактовую частоту такой, чтобы произведение Kсч fтакт было бы равным, или кратным периоду напряжения промышленной сети.
4.3.2 Сигма-дельта АЦП
АЦП многотактного интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Например, 13-разрядный AD7550 выполняет преобразование в четыре такта. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен быть снабжен довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и, как следствие, усиливает влияние помех.
 |
??? ?????????? ?? ?????? ????????? ? ??????????? ?????-?????? ??? (? ?????? ?????????? ??? ??????????????? ?????????? ??? ? ???????????????? ??? ???????? ???????). ????? ????????? ??? ??????????????? ??????? ???????? ? ??? ???? ??????: ????????? (??????????? ???????? - ) ? ??????????? (??????????? ???????? - ). ???? ?? ?????????, ?????????? ? ?????? ???? ????????????????, ??????????? ????????? ???????????, ???????? ??????, ? ????????????? ????????? ??????????? ??????????? - ??? ?????????? ??????????? ????????? ?? ??????? ????????? ???????.
Основные узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 14. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх (t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.
Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Примерами сигма-дельта модуляторов высокого порядка являются одноканальный AD7720 седьмого порядка и двухканальный ADMOD79 пятого порядка.
Наиболее широко в составе ИМС используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП - аналоговый комутатор (рис. 15). Принцип действия пояснен в табл. 2 на примере преобразования входного сигнала, равного 0,6 В, при Uоп =1 В. Пусть постоянная времени интегрирования интегратора численно равна периоду тактовых импульсов. В нулевом периоде выходное напряжение интегратора сбрасывается в нуль. На выходе ЦАП также устанавливается нулевое напряжение. Затем схема проходит через показанную в табл. 9 последовательность состояний.
Таблица 2
| Uвх =0,6 В | Uвх =0 В | ||||||||
| N такта | U , В | Uи , В | Uк , бит | UЦАП , В | N такта | U , В | Uи , В | Uк , бит | UЦАП , В |
| 1 | 0,6 | 0,6 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 2 | -0,4 | 0,2 | 1 | 1 | 2 | -1 | 0 | 0 | -1 |
| 3 | -0,4 | -0,2 | 0 | -1 | 3 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 4 | 1,6 | 1,4 | 1 | 1 | 4 | -1 | 0 | 0 | -1 |
| 5 | -0,4 | 1,0 | 1 | 1 | 5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 6 | -0,4 | 0,6 | 1 | 1 | 6 | -1 | 0 | 0 | -1 |
| 7 | -0,4 | 0,2 | 1 | 1 | 7 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 8 | -0,4 | -0,2 | 0 | -1 | 8 | -1 | 0 | 0 | -1 |
| 9 | 1,6 | 1,4 | 1 | 1 | 9 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 10 | -0,4 | 1,0 | 1 | 1 | 10 | -1 | 0 | 0 | -1 |
| 11 | -0,4 | 0,6 | 1 | 1 | 11 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 12 | -0,4 | 0,2 | 1 | 1 | 12 | -1 | 0 | 0 | -1 |
| 13 | -0,4 | -0,2 | 0 | -1 | 13 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 14 | 1,6 | 1,4 | 1 | 1 | 14 | -1 | 0 | 0 | -1 |
| 15 | -0,4 | 1,0 | 1 | 1 | 15 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 16 | -0,4 | 0,6 | 1 | 1 | 16 | -1 | 0 | 0 | -1 |
В тактовые периоды 2 и 7 состояния системы идентичны, так как при неизменном входном сигнале Uвх =0,6 В цикл работы занимает пять тактовых периодов. Усреднение выходного сигнала ЦАП за цикл действительно дает величину напряжения 0,6 В:
(1-1+1+1+1)/5=0,6.
?