|
|
АЦП. Классификация ацп, основные параметры. Ацп последовательного, параллельного и последовательнопараллельного типа Введение
Классификация АЦП, основные параметры. АЦП последовательного, параллельного и последовательно-параллельного типа Введение - Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).
- Обратное преобразование осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC)
- Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователь угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
- Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки, которые являются следствием джиттера тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
- Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд .В приведённом выше примере 8-битного двоичного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0,4 %, в 5-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/243 от полного диапазона сигнала, то есть 0,412 %, в 8-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/6561, то есть 0,015 %.
Характеристика и точность. - Передаточная характеристика АЦП — зависимость числового эквивалента выходного двоичного кода от величины входного аналогового сигнала. Говорят о линейных и нелинейных АЦП. Такое деление условное. Обе передаточные характеристики — ступенчатые. Но для «линейных» АЦП всегда возможно провести такую прямую линию, чтобы все точки передаточной характеристики, соответствующие входным значениям .
Классификация АЦП - Классифицируются АЦП по различным признакам. В основу классификации можно положить признак временного процесса преобразования аналоговой величины в цифровую. По этому признаку выборочные значения аналогового сигнала преобразуются в цифровые эквиваленты операциями квантования и кодирования с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедуры приближения цифрового эквивалента к аналоговой преобразуемой величине. Соответственно АЦП делятся на последовательные, параллельные и параллельно-последовательные. По структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без применения ЦАП.
- К последовательным АЦП относятся преобразователи напряжение — частота, преобразователи интегрирующего типа и последовательных приближений. АЦП последовательного типа позволяют получить высокую разрядность, но обладают низким быстродействием.
- Параллельные АЦП строятся по принципу одновременного преобразования сигнала методом его квантования с помощью компараторов. Параллельные АЦП обладают самым высоким быстродействием за счет усложнения схемы при увеличении разрядности. А это приводит к увеличению потребляемой мощности и размеров кристалла.(рис 3)
- В последовательно-параллельных АЦП используется сочетание методов последовательного и параллельного преобразования. Этот тип преобразователей позволяет в значительной степени уменьшить объем параллельных преобразований и увеличить быстродействие последовательных. Основными недостатками последовательно-параллельных АЦП являются: наличие большого числа линейных узлов, требования к точностным и динамическим характеристикам которых очень высоки; трудность прецизионной стыковки линейных узлов друг с другом. В связи с этим требуется настройка каждого преобразователя отдельно. Поэтому такие АЦП в интегральном исполнении практически не выпускаются.
- В зависимости от области применения АЦП можно разбить на четыре группы:
- 1. Преобразователи электрических величин (напряжений, токов, сопротивлений).
- 2. Преобразователи интервалов времени.
- 3. Преобразователи перемещений (линейных или угловых).
- 4. Преобразователи следящего типа.
- Наиболее экономичная и простая структурная схема АЦП с применением ЦАП представлена на рис. 13.1. Работа АЦП заключается в сравнении измеряемого аналогового напряжения (в нашем случае амплитудой 3 В) с аналоговым эквивалентом цифрового кода, поступающего с выхода ЦАП на второй вход компаратора. Таблица истинности (см. табл. 12.1) показывает, как должен работать АЦП. На выходе АЦП находится счетчик. На первый вход компаратора подается аналоговое входное напряжение, которое преобразуется в течение N тактов, а на второй вход компаратора подается сигнал с выхода ЦАП, имеющий ступенчатую форму. Если аналоговое входное напряжение на входе 1 больше напряжения на входе 2, то тактовые импульсы через логическую схему «И» поступают на вход счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, увеличивая цифровой сигнал на выходе АЦП. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе
ЦАП (напряжение обратной связи) не превысит аналоговое входное напряжение.
Основным недостатком простейшей структуры АЦП является относительно невысокая точность и большое время преобразования.
Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения - Одним из наиболее распространенных методов построения АЦП является метод последовательного приближения, который иногда называют методом поразрядного уравновешивания. В АЦП, использующих данный метод, код в регистрах результата меняется так, чтобы обеспечить по возможности быстрое уравновешивание входного напряжения или тока напряжением или током, получаемым с выхода ЦАП, который в свою очередь подключается к регистру (рис. 13.2).
- Получив команду на выполнение преобразования от генератора тактовых импульсов (ГТИ), регистр последовательных приближений (РПП) устанавливает значение логической единицы в первом разряде запоминающего регистра и ЦАП. Если при этом UBX > Un, то компаратор напряжения (К) выдает в РПП команду оставить логическую единицу в первом разряде запоминающего регистра и подать значение логической единицы во второй разряд ЦАП. Если после этого снова UBX > ?/ц, то компаратор дает приближения команду РПП оставить логическую единицу во втором разряде запоминающего регистра и ЦАП и подать напряжение логической единицы на третий разряд.
АЦП дифференциального кодирования - АЦП дифференциального кодирования (англ. delta-encoded ADC) содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП
- АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход: дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает в случаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики
АЦП сравнения с пилообразным сигналом - АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП, также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП.
- Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких других преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.
АЦП с уравновешиванием заряда - АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T — период тактового генератора, N — константа (большое целое число, определяет время накопления заряда).
- По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП.
Оптические АЦП - Существуют оптические методы преобразования электрического сигнала в код. Они основаны на способности некоторых веществ изменять показатель преломления под действием электрического поля. При этом проходящий через вещество луч света изменяет свою скорость или угол отклонения на границе этого вещества в соответствии с изменением показателя преломления. Существует несколько способов регистрации этих изменений. Например, линейка фотоприемников регистрирует отклонение луча, переводя его в дискретный код. Различные интерференционные схемы с участием задержанного луча позволяют оценивать изменения сигнала или строить компараторы электрических величин.
- Оптические АЦП могут иметь очень высокое быстродействие
Дельта-сигма - Дельта-сигма (ΔΣ; или сигма-дельта, ΣΔ) модуляция-это метод кодирования аналоговых сигналов в цифровые сигналы, используемый в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Он также используется для преобразования высокочастотных цифровых сигналов с большим количеством битов в высокочастотные цифровые сигналы с меньшим количеством битов в рамках процесса преобразования цифровых сигналов в аналоговые в рамках цифроаналогового преобразователя (ЦАП).
АЦП последовательного счета - Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 8). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.
- Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.
- Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов fтакт равно
|
|
|
Скачать 391.23 Kb.