Презентация ЦАП и АЦП-20141026-204911958. Цап и ацп принципы построения и схемотехника миэм ниу вшэ. Сафонов С. Н
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Назначение ЦАП и АЦП Цифро - аналоговый преобразователь - устройство, предназначенное для преобра - зования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентное им значение выходного напряжения Аналого - цифровой преобразователь – устройство, предназначенное для преобра - зования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины (входного напряжения) в эквивалентное ей значение числовых кодов Процесс аналого - цифрового преобразования включает следующие операции : • выборка значений входного напряжения в заданные моменты времени, то есть дискретизация сигнала во времени • квантование – присвоение входному напряжению в моменты дискретизации значений, соответствующих заданной шкале уровней • кодирование – замена найденных квантованных значений числовыми кодами Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого - цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка – XXI», 2007. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Статические параметры ЦАП и АЦП Определяют параметры статической передаточной характеристики. Статическая передаточная характеристика (характеристика преобразования) представляет зависимость сигнала на выходе ЦАП от входного кода. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Идеальная характеристика преобразователя представляет прямую линию, на которой расположены средние точки ступенек. Статические погрешности вызваны неидеальностью элементов преобразователя и относятся к инструментальным. Погрешность квантования Погрешность квантования носит методический характер. Может быть уменьшена до допустимой величины выбором числа разрядов преобразователя. Размах погрешности от пика до пика равен 1 МР. Ее действие аналогично действию аддитивного шума, поэтому погрешность квантования называют также шумом квантования. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Статические параметры ЦАП и АЦП Число разрядов - число разрядов кода, отображающих исходную аналоговую величину, которое может подаваться на вход ЦАП или формироваться на выходе АЦП. Абсолютная разрешающая способность – среднее значение минимального изменения сигнала на выходе ЦАП или минимального изменения сигнала на входе АЦП при увеличении или уменьшении кода на единицу (вес младшего разряда). Абсолютная погрешность преобразования к конечной точке шкалы - отклонение максимальных значений выходного аналогового сигнала для ЦАП или входного аналогового сигнала для АЦП от значений, соответствующих конечной точке идеальной характеристики преобразования. Примечание: термин «абсолютный» является альтернативой термину «относительный» и означает, что рассматриваемый параметр выражен в единицах преобразуемой физической величины. Напряжение смещения нуля: - для ЦАП – это напряжение, присутствующее на его выходе при подаче на вход нулевого кода - для АЦП – это напряжение, которое необходимо приложить к его входу для получения нулевого кода на выходе. Обычно напряжение смещения нуля выражается в единицах (весе) младшего разряда. Нелинейность (интегральная нелинейность) – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной. Нелинейность определяется в относительных единицах (или в единицах младшего разряда). Дифференциальная нелинейность – это отклонение действительного шага квантования от его среднего значения в диапазоне преобразования. Измеряется либо в единицах младшего разряда, либо в процентах. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Статические параметры ЦАП Нелинейность ЦАП 1 – идеальная передаточная характеристика 2 – реальная характеристика (пунктир) Обозначения: - смещение нуля: U 0 - нелинейность: δ'L - абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы: δF s - диапазон преобразования: U I RN max . Характеристика АЦП может быть получена заменой осей координат изображенной характеристики. Дифференциальная нелинейность АЦП 1 – номинальная характеристика квантования 2 – реальная характеристика (пунктир) Обозначения: - номинальный шаг квантования: h - дифференциальная нелинейность: (положительное отклонение шага): +δ‘L Д (отрицательное отклонение шага): -δ‘L Д. Характеристика ЦАП может быть получена заменой осей координат изображенной характеристики. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Динамические параметры ЦАП Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой параметры преобразования соответствуют заданным. Время установления ( t s ) - интервал времени от момента изменения входного кода ЦАП до момента, когда выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины. Обычно ширина этой зоны задается равной весу единицы младшего разряда (1 EMP). Аналогичный параметр для АЦП называется временем преобразования. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Теорема Котельникова МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Устанавливает связь требуемой частоты дискретизации аналогового сигнала с шириной его спектра. Аналоговый сигнал с высшей частотой спектра f в может быть представлен отсчетами с периодом Т д , отвечающим соотношению Т д ≥1/(2f в ), где Т д – период дискретизации, f в – высшая частота спектра сигнала. Спектр сигнала представляет собой совокупность гармоник. Дискретизация гармонического сигнала Теорема Котельникова Спектр сигнала состоит из двух гармоник (нижние диаграммы). Сигналы могут быть представлены в двух формах: как функция времени и как функция частоты. Для бесконечных во времени периодических сигналов – спектры линейчатые (как показано на рисунках), для конечных во времени – непрерывные. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Схемотехника ЦАП и АЦП Для изготовления ЦАП и АЦП используются микроэлектронные технологии с высокими требованиями к точности и стабильности параметров элементов. Особенностями микроэлектронных технологий является сравнительно большой разброс абсолютных значений параметров компонентов и сравнительно малый разброс их относительных значений. Эти особенности учитываются в схемотехнике ЦАП и АЦП. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. ЦАП с двоично-взвешенными резисторами ЦАП с двоично-взвешенными резисторами Входной код управляет электронными ключами K i . Состояния ключей соответствуют коэффициентам a i (если a i =1, ключ в верхнем положении). Недостатки: - широкий диапазон сопротивлений трудно реализовать микроэлектронными технологиями; - сопротивления ключей сопоставимы с сопротивлениями матрицы или на верхней или на нижней границе диапазона сопротивлений. Схема представляет исторический интерес. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Принцип действия ЦАП на матрице R-2R При использовании цепочки резисторов типа R-2R вклад каждого разряда в выходной сигнал пропорционален его двоичному весу. На входе операционного усилителя (в узле S) токи всех включенных разрядов матрицы суммируются. На операционном усилителе собран преобразователь ток-напряжение для получения на выходе напряжения U вых МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. ЦАП на матрице R-2R ЦАП на основе матрицы R-2R В матрице используются резисторы, сопротивления которых отличаются в 2 раза. В ЦАП без подгонки резисторов обеспечивается число разрядов 10, с подгонкой резисторов 14 разрядов. Управление величиной U оп позволяет масштабировать результат преобразования (получить умножающий ЦАП: с управлением параллельным входным кодом и одновре- менно с управлением величиной U оп МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. АЦП развертывающего преобразования Называется также «АЦП последовательного счета». Основой преобразователя является ЦАП любого типа. Преобразование начинается с установки счетчика в «0». На выходе АЦП устанавливается напряжение, равное 0. Затем счетчик подсчитывает тактовые импульсы, прошедшие через вентиль B1. Код со счетчика поступает на ЦАП, на выходе которого образуется ступенчатое нарастающее напряжение. Когда выходное напряжение ЦАП превышает входное напряжение устройства, аналоговый компаратор переключается, его сигнал закрывает вентиль, преобразование заканчивается. Параллельный код с выходов счетчика считывается по сигналу компаратора. Преимущества: малое число элементов в схеме АЦП Недостаток: большое время преобразования, которое зависит от преобразуемого напряжения. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. АЦП последовательных приближений Наиболее распространенный тип АЦП. Работа основана на последовательных сравнениях входного напряжения с напряжением обратной связи. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Алгоритм работы АЦП последовательных приближений При первом сравнении определяется, больше или меньше напряжение U вх , чем ½(U max) , где U max - максимальное выходное напряжение. На следующем шаге определяется, в какой четверти диапазона находится входное напряжение. Каждый последующий шаг сужает область возможных результатов. Для завершения преобразования требуется n тактов, где n – число разрядов преобразования. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Алгоритм работы АЦП последовательных приближений Цикл преобразования начинается импульсом «Запуск», который записывает «1» в триггеры старших разрядов обоих регистров, обнуляя остальные разряды. Выходной код запоминающего регистра преобразуется ЦАП в напряжение, составляющее половину полной шкалы входного напряжения. Если U ос <U вх , то старший разряд запоминающего регистра остается в состоянии «1», а регистр сдвига переносит свою «1» в следующий (n – 2) разряд, записывая «1» также в (n – 2) разряд запоминающего регистра. Если U ос >U вх , то старший разряд запоминающего регистра обнуляется. И в том и в другом случае разряд с номером (n – 2) представляющий ¼ часть полной шкалы, проверяется в следующую очередь. Процесс преобразования завершается после того, как будет проверен младший разряд. Время преобразования является постоянной величиной T пр =(n/f + t уст ), где n – число разрядов, f – тактовая частота, t уст – время установки регистров. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. АЦП параллельного преобразования Преобразование выполняется за один такт. Входной сигнал подается одновременно на все компараторы. На вторые входы компараторов поступают опорные напряжения, сформированные резистивным делителем напряжения. Напряжения на выводах делителя соответствуют уровням квантования (например, для 8-разрядного АЦП требуются 255 компараторов). Кодирующее устройство представляет собой приоритетный шифратор, который преобразует «столбик единиц» в двоичный код, и является комбинационным устройством. Преимущества – минимальное время преобразо- вания в сравнении с другими типами АЦП. Недостатки аппаратное ограничение на число разрядов. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. АЦП двойного интегрирования Применяется в измерительных приборах, которые работают в условиях интенсивных помех промышленной частоты. Приборы – показывающего типа, не требуют высокого быстродействия. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. Принцип действия АЦП двойного интегрирования 1 такт Входное напряжение (через ключ в верхнем положении) подается на интегратор. Интегрируется неизвестный входной сигнал в течение фиксированного интервала времени, который задается счетчиком тактовых импульсов. Скорость нарастания напряжения на интеграторе пропорциональна входному напряжению. 2 такт Проинтегрированное напряжение возвращается к нулю путем интегрирования опорного сигнала противоположной полярности (через ключ в нижнем положении). Скорость уменьшения напряжения на интеграторе постоянна. Время обратного интегрирования измеряется счетчиком тактовых импульсов. На диаграмме показаны процессы в интеграторе при трех различных входных напряжениях U вх.1 < U вх.2 < U вх.3. N 1, N 2, N 3 – значения кодов, записанных в счетчик, для указанных интервалов времени. Преимущества: результат интегрирования на 1 такте пропорционален среднему значению входного напряжения за время интегрирования, поэтому АЦП нечувствителен к помехе, период которой кратен времени интегрирования. Для помехи от сети электропитания с частотой 50 Гц время интегрирования должно выбираться из ряда (20, 40, 60 …) мс. МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н. |