Аналого-цифрові перетворювачі

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є пристроями, які приймають вхідні аналогові сигнали і генерують відповідні їм цифрові сигнали, придатні для обробки мікропроцесорами і іншими цифровими пристроями.
Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму, проте цю задачу вдається вирішити лише в окремих випадках через складність таких перетворювачів. Тому в даний час найраціональнішим признається спосіб перетворення різних по фізичній природі величин спочатку у функціонально пов'язані з ними електричні, а потім вже за допомогою перетворювачів напруга-код - в цифрові. Саме ці перетворювачі мають звичайно на увазі, коли говорять про АЦП.
Процедура аналого-цифрового перетворення безперервних сигналів, яку реалізують за допомогою АЦП, є перетворенням безперервної функції часу U(t), що описує початковий сигнал, в послідовність чисел {U'(tj)}, j=0,1,2,:, віднесених до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називається дискретизацією і полягає в перетворенні безперервної функції часу U(t) в безперервну послідовність {U(tj)}. Друга називається квантуванням і полягає в перетворенні безперервної послідовності в дискретну {U'(tj)}.
У основі дискретизації безперервних сигналів лежить принципова можливість представлення їх у вигляді зважених сум
, | (1)
де aj - деякі коефіцієнти або відліки, що характеризують початковий сигнал в дискретні моменти часу; fj(t) - набір елементарних функцій, використовуваних при відновленні сигналу по його відліках.
У загальному випадку вибір частоти дискретизації залежатиме також від використовуваного в (1) виду функції fj(t) і допустимого рівня погрішностей, що виникають при відновленні початкового сигналу по його відліках. Все це слідує брати до уваги при виборі частоти дискретизації, яка визначає необхідну швидкодію АЦП. Часто цей параметр задають розробнику АЦП.
В даний час відоме велике число методів перетворення напруга-код. Ці методи істотно відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення і складністю апаратної реалізації. На мал. 2 представлена класифікація АЦП по методах перетворення.
У основу класифікації АЦП встановлена ознака, вказуюча на те, як в часі розвертається процес перетворення аналогової величини в цифрову. У основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування і кодування. Вони можуть здійснюватися або за допомогою послідовної, або паралельної, або послідовно-паралельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.
Паралельні АЦП
АЦП цього типа здійснюють квантування сигналу одночасно з допомогою набору компараторів, включених паралель джерелу вхідного сигналу. На мал. 3 показана реалізація паралельного методу АЦ-перетворення для 3-розрядного числа.
Завдяки одночасній роботі компараторів паралельний АЦП є найшвидшим. Наприклад, восьмирозрядний перетворювач типа МАХ104 дозволяє одержати 1 млрд відліків в секунду при часі затримки проходження сигналу не більш 1,2 нс. Недоліком цієї схеми є висока складність. Дійсно, N-розрядний паралельний АЦП стримає 2N-1 компараторів і 2N узгоджених резисторів. Слідством цього є висока вартість (сотні доларів США) і значна споживана потужність. Той же МАХ104, наприклад, споживає близько 4 Вт.
Послідовно-паралельні АЦП
Послідовно-паралельні АЦП є компромісом між прагненням одержати високу швидкодію і бажанням зробити це по можливості меншою ціною. Послідовно-паралельні АЦП займають проміжне положення по роздільній здатності і швидкодії між паралельними АЦП і АЦП послідовного наближення. Послідовно-паралельні АЦП підрозділяють на багатоступінчаті, многотактниє і конвєєрниє.
Багатоступінчаті АЦП
У багатоступінчатому АЦП процес перетворення вхідного сигналу роздільний в просторі. Як приклад на мал. 4 представлена схема двухступенчатого 8-розрядного АЦП.
Грубо наближена і точна величини повинні, природно, відповідати одній і тій же вхідній напрузі Uвх(tj). Через наявність затримки сигналу в першому ступені виникає, проте, тимчасове запізнювання. Тому при використовуванні цього способу вхідну напругу необхідно підтримувати постійним за допомогою пристрою вибірки-зберігання до тих пір, поки не буде одержане все число.
Багатотактові послідовно-паралельні АЦП
Розглянемо приклад 8-розрядного послідовно-паралельного АЦП, що відноситься до типу многотактних (мал. 5). Тут процес перетворення розділений в часі.
Швидкодія розглянутого багатотактового АЦП визначається повним часом перетворення 4-розрядного АЦП, часом спрацьовування цифрових схем управління, часом встановлення ЦАП з погрішністю, що не перевищує 0,2...0,3 кванти 8-розрядного АЦП, причому час перетворення АЦП входить в загальний час перетворення двічі. В результаті за інших рівних умов перетворювач такого типу виявляється повільніше за двухступінчатого перетворювач, розглянутий вище. Проте він простіший і дешевше. По швидкодії багатотактові АЦП займають проміжне положення між багатоступінчатими АЦП і АЦП послідовного наближення. Прикладами багатотактових АЦП є тритактовий 12-розрядний AD7886 з часом перетворення 1 мкс, або тритактовий 16-розрядний AD1382 з часом перетворення 2 мкс.
Конвєєрні АЦП
Швидкодія багатоступінчатого АЦП можна підвищити, застосувавши конвєєрний принцип багатоступінчатої обробки вхідного сигналу. У звичайному багатоступінчатому АЦП (мал. 4) спочатку відбувається формування старших розрядів вихідного слова перетворювачем АЦП1, а потім йде період встановлення вихідного сигналу ЦАП. На цьому інтервалі АЦП2 простоює. На другому етапі під час перетворення залишку перетворювачем АЦП2 простоює АЦП1. Ввівши елементи затримки аналогового і цифрового сигналів між ступенями перетворювача, одержимо конвєєрний АЦП, схема 8-розрядного варіанту якого приведена на мал. 6.
Таким чином, конвєєрна архітектура дозволяє істотно (у декілька разів) підвищити максимальну частоту вибірок багатоступінчатого АЦП. Те, що при цьому зберігається сумарна затримка проходження сигналу, відповідна звичному багатоступінчатому АЦП з рівним числом ступенів, не має істотного значення, оскільки час подальшої цифрової обробки цих сигналів все одно багато разів перевершує цю затримку. За рахунок цього можна без програшу в швидкодії збільшити число ступенів АЦП, знизивши розрядність кожного ступеня. У свою чергу, збільшення числа ступенів перетворення зменшує складність АЦП. Дійсно, наприклад, для побудови 12-розрядного АЦП з чотирьох 3-розрядних необхідно 28 компараторів, тоді як його основному використовуваним в ньому ЦАП, може бути дуже малою, що дозволяє реалізувати роздільну здатність до 18 двійкових розрядів
Інтегруючі АЦП
Недоліком розглянутих вище за послідовних АЦП є низька перешкодостійкість результатів перетворення. Дійсно, вибірка миттєвого значення вхідної напруги, звичайно включає доданок у вигляді миттєвого значення перешкоди. Згодом при цифровій обробці послідовності вибірок ця складова може бути пригнічена, проте на це потрібен час і обчислювальні ресурси. У АЦП, розглянутих нижче, вхідний сигнал інтегрується або безперервно, або на певному тимчасовому інтервалі, тривалість якого звичайно вибирається кратної періоду перешкоди. Це дозволяє у багатьох випадках подавити перешкоду ще на етапі перетворення. Платнею за це є знижена швидкодія інтегруючих АЦП.
Даний клас АЦП займає проміжне положення по швидкодії, вартості і роздільній здатності між послідовно-паралельними і інтегруючими АЦП і знаходить широке застосування в системах управління, контролю і цифрової обробки сигналів.
АЦП багатотактної інтеграції
Спрощена схема АЦП, працюючого в два основні такти (АЦП двотактної інтеграції), приведена на мал. 10.
відмітною особливістю методу багатотактної інтеграції є те, що ні тактова частота, ні постійна інтеграції RC не впливають на результат. Необхідно тільки зажадати, щоб тактова частота протягом часу t1+t2 залишалася постійною. Це можна забезпечити при використовуванні простого тактового генератора, оскільки істотні тимчасові або температурні дрейфи частоти відбуваються за час незіставно більше, ніж час перетворення.
Сигма-дельта АЦП
АЦП багатотактного інтеграції мають ряд недоліків. По-перше, нелінійність перехідної статичної характеристики операційного підсилювача, на якому виконують інтегратор, помітним чином позначається на інтегральній нелінійності характеристики перетворення АЦП високого дозволу. Для зменшення впливу цього чинника АЦП виготовляють багатотактними. Наприклад, 13-розрядний AD7550 виконує перетворення в чотири такти. Іншим недоліком цих АЦП є та обставина, що інтеграція вхідного сигналу займає в циклі перетворення тільки приблизно третю частину. Дві третини циклу перетворювач не приймає вхідний сигнал. Це погіршує помехоподавляющие властивості інтегруючого АЦП. По-третє, АЦП багатотактного інтеграції повинен бути забезпечений досить великою кількістю зовнішніх резисторів і конденсаторів з високоякісним діелектриком, що значно збільшує місце, займане перетворювачем на платні і, як наслідок, підсилює вплив перешкод.
Ці недоліки багато в чому усунені в конструкції сигма-дельта АЦП (у ранній літературі ці перетворювачі називалися АЦП з урівноваженням або балансом зарядів). Своєю назвою ці перетворювачі зобов'язані наявністю в них двох блоків: суматора (позначення операції - ?) і інтегратора (позначення операції - ? ). Один з принципів, закладених в такого роду перетворювачах, дозволяючий зменшити погрішність, що вноситься шумами, а отже збільшити роздільну здатність - це усереднювання результатів вимірювання на великому інтервалі часу.
Порівняння сигма-дельта АЦП з АЦП многотактного інтеграції показує значні переваги перших. Перш за все, лінійність характеристики перетворення сигма-дельта АЦП вища, ніж у АЦП многотактного інтеграції рівної вартості. Це пояснюється тим, що інтегратор сигма-дельта АЦП працює в значно вужчому динамічному діапазоні, і нелінійність перехідної характеристики підсилювача, на якому побудований інтегратор, позначається значно менше. Місткість конденсатора інтегратора у сигма-дельта АЦП значно менше (десятки пікофарад), так що цей конденсатор може бути виготовлений прямо на кристалі ІМС. Як наслідок, сигма-дельта АЦП практично не має зовнішніх елементів, що істотно скорочує площу, займану їм на платні, і знижує рівень шумів. В результаті, наприклад, 24-розрядний сигма-дельта АЦП AD7714 виготовляється у вигляді однокрісталльной ІМС в 24-вивідному корпусі, споживає 3 мВт потужності і коштує приблизно 14 доларів США, а 18-розрядний АЦП восьмітактного інтеграції HI-7159 споживає 75 мВт і коштує близько 30 доларів. До того ж сигма-дельта АЦП починає давати правильний результат через 3-4 відліки після стрибкоподібної зміни вхідного сигналу, що при величині першої частоти режекциі, рівної 50 Гц, і 20-розрядному дозволі складає 60-80 мс, а мінімальний час перетворення АЦП HI-7159 для 18-розрядного дозволу і тієї ж частоти режекциі складає 140 мс. В даний час ряд ІМС фірм, що ведуть по аналого-цифрових, такі як Analog Devices і Burr-Brown, припинив виробництво АЦП многотактного інтеграції, повністю перейшовши у області АЦ-перетворення високого дозволу на сигма-дельта АЦП.
Сигма-дельта АЦП високого дозволу мають розвинену цифрову частину, що включає мікроконтролер. Це дозволяє реалізувати режими автоматичної установки нуля і самокалібрування повної шкали, зберігати калібрувальні коефіцієнти і передавати їх по запиту зовнішнього процесора.
Цифро-аналогові перетворювачі
Загальні відомості
Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для перетворення числа, визначеного, як правило, у вигляді двійкового коду, в напругу або струм, пропорційні значенню цифрового коду. Схемотехніка цифро-аналогових перетворювачів вельми різноманітна. На мал. 1 представлена класифікаційна схема ЦАП по ознаках схемотехнік. Окрім цього, ІМС цифро-аналогових перетворювачів класифікуються по наступних ознаках:
По вигляду вихідного сигналу: із струмовим виходом і виходом у вигляді напруги
По типу цифрового інтерфейсу: з послідовним введенням і з паралельним введенням вхідного коду
По числу ЦАП на кристалі: одноканальні і багатоканальні
По швидкодії: помірної і високої швидкодії
Мал. 1. Класифікація ЦАП
Послідовні ЦАП
ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією
Дуже часто ЦАП входить до складу мікропроцесорних систем. В цьому випадку, якщо не потрібна висока швидкодія, цифро-аналогове перетворення може бути дуже просте здійснено за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Схема ЦАП з ШІМ приведена на мал. 1а.
Мал. 1. ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією
Найпростіше організовується цифро-аналогове перетворення в тому випадку, якщо мікроконтролер має вбудовану функцію широтно-імпульсного перетворення (наприклад, AT90S8515 фірми Atmel або 87С51GB фірми Intel). Вихід ШІМ управляє ключем S. Залежно від заданої розрядності перетворення (для контроллера AT90S8515 можливі режими 8, 9 і 10 біт) контроллер за допомогою свого таймера/лічильника формує послідовність імпульсів, відносна тривалість яких ? =tи/ Т визначається співвідношенням
де N – розрядність перетворення, а D – перетворюваний код. Фільтр нижніх частот згладжує імпульси, виділяючи середнє значення напруги. В результаті вихідна напруга перетворювача
Розглянута схема забезпечує майже ідеальну лінійність перетворення, не містить прецизійних елементів (за винятком джерела опорної напруги). Основний її недолік – низька швидкодія.
Послідовний ЦАП на конденсаторах, що перемикаються
Розглянута вище схема ЦАП з ШІМ спочатку перетворить цифровий код в часовий інтервал, який формується за допомогою двійкового лічильника квант за квантом, тому для отримання N-розрядного перетворення необхідні 2N тимчасових квантів (тактів). Схема послідовного ЦАП, приведена на мал. 2, дозволяє виконати цифро-аналогове перетворення за значно менше число тактів.

Таким чином, представлена схема виконує перетворення вхідного коду за 2N квантів, що значно менше, ніж у ЦАП з ШІМ. Тут потрібно тільки два узгоджені конденсатори невеликої місткості. Конфігурація аналогової частини схеми не залежить від розрядності перетворюваного коду. Проте по швидкодії послідовний ЦАП значно поступається паралельним цифро-аналоговим перетворювачам, що обмежує область його застосування.
Паралельні ЦАП
ЦАП з підсумовуванням вагових струмів
Розглянута схема при всій її простоті володіє цілим букетом недоліків. По-перше, при різних вхідних кодах струм, споживаний від джерела опорної напруги (ІОН), буде різним, а це вплине на величину вихідної напруги ІОН. По-друге, значення опорів вагових резисторів можуть розрізнятися в тисячі раз, а це робить вельми скрутною реалізацію цих резисторів в напівпровідникових ІМС. Крім того, опір резисторів старших розрядів в багаторозрядних ЦАП може бути сумірним з опором замкнутого ключа, а це приведе до погрішності перетворення. По-третє, в цій схемі до розімкнених ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їх побудову.
Ці недоліки усунені в схемі ЦАП AD7520 (вітчизняний аналог 572ПА1), розробленому фірмою Analog Devices в 1973 році, яка в даний час є по суті промисловим стандартом (по ній виконане багато серійних моделей ЦАП). Вказана схема представлена на мал. 4. Як ключі тут використовуються МОП-транзистори.
Мал. 4. Схема ЦАП з перемикачами і матрицею постійного імпедансу
ЦАП на МОП ключах мають відносно низьку швидкодію через велику вхідну місткість МОП-ключів. Той же 572ПА2 має час встановлення вихідного струму при зміні вхідного коду від 000...0 до 111...1, рівне 15 мкс. 12-розрядний DAC7611 фірми Burr-Braun має час встановлення вихідної напруги 10 мкс. У той же час ЦАП на МОП-ключах мають мінімальну потужність споживання. Той же DAC7611 споживає всього 2,5 мВт. Останнім часом з'явилися моделі ЦАП розглянутого вище типу з вищою швидкодією. Так 12-розрядний AD7943 має час встановлення струму 0,6 мкс і споживану потужність всього 25 мкВт. Мале власне споживання дозволяє живити такі мікромогутні ЦАП прямо від джерела опорної напруги. При цьому вони можуть навіть не мати висновку для підключення ІОН, наприклад, AD5321.
ЦАП на джерелах струму
ЦАП на джерелах струму володіють вищою точністю. На відміну від попереднього варіанту, в якому вагові струми формуються резисторами порівняно невеликого опору і, як наслідок, залежать від опору ключів і навантаження, в даному випадку вагові струми забезпечуються транзисторними джерелами струму, що мають високий динамічний опір. Спрощена схема ЦАП на джерелах струму приведена на мал. 6.
Мал. 6. Схема ЦАП на джерелах струму
Характерниміпрімеремі ЦАП на перемикачах струму з біполярними транзисторами як ключі є 12-розрядний 594ПА1 з часом встановлення 3,5 мкс і погрішністю лінійності не більш 0,012% і 12-розрядний AD565, що має час встановлення 0,2 мкс при такій же погрішності лінійності. Ще вищою швидкодією володіє AD668, що має час встановлення 90 нс і ту ж погрішність лінійності. З нових розробок можна відзначити 14-розрядний AD9764 з часом встановлення 35 нс і погрішністю лінійності не більш 0,01%.
Паралельний ЦАП на конденсаторах, що перемикаються
Основою ЦАП цього типу є матриця конденсаторів, місткості яких співвідносяться як цілі ступені двох. Схема простого варіанту такого перетворювача приведена на мал. 11.
Мал. 8.11. Паралельний ЦАП на комутованих конденсаторах
Для зберігання результату перетворення (постійної напруги) в перебігу скільки-небудь тривалого часу до виходу ЦАП цього типу слід підключити пристрій вибірки-зберігання. Зберігати вихідну напругу необмежений час, як це можуть робити ЦАП з підсумовуванням вагових струмів, забезпечені регістром-клямкою, перетворювачі на комутованих конденсаторах не можуть через витік заряду. Тому вони застосовуються, в основному, у складі аналого-цифрових перетворювачів. Іншим недоліком є велика площа кристала ІМС, займана подібною схемою.
ЦАП з підсумовуванням напруг
Гідністю даної схеми є мала диференціальна нелінійність і гарантована монотонність характеристики перетворення. Її можна використовувати як резистор, підстроюваний цифровим кодом. Випускається декілька моделей таких ЦАП. Наприклад, мікросхема AD8403 містить чотири восьмирозрядних ЦАП, виконаних по схемі на мал. 8.12, з опором між висновками А і В 10, 50 або 100 кОм залежно від модифікації. При подачі активного рівня на вхід “Економічний режим” відбувається розмикання ключа Sоткл і замикання ключа S0. ІМС має вхід скидання, яким ЦАП можна встановити на середину шкали. Фірма Dallas Semiconductor випускає декілька моделей ЦАП (наприклад, здвоєний DS1867) з підсумовуванням напруг, у яких вхідний регістр є незалежним оперативним пристроєм, що запам'ятовує, що особливо зручне для побудови схем з автоматичним підстроюванням (калібруванням). Недолік схеми – необхідність виготовляти на кристалі велику кількість (2N) узгоджених резисторів. Проте, в даний час випускаються 8-ми, 10-ти і 12-ти розрядні ЦАП даного типу з буферними підсилювачами на виході, наприклад, AD5301, AD5311 і AD5321.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать