Лекции по Информационно-измерительным системам. Основные определения. Области применения иис, Л. 1, глава 1, с. 6

• Название: Основные определения. Области применения иис, Л. 1, глава 1, с. 6
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 2.88 Mb.
• Имя файла: Лекции по Информационно-измерительным системам.doc
• Тип: Закон; #606935
• страница: 3 из 5

МЕТОДЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

В этом разделе мы обсудим некоторые основные схемотехниче­ские приемы, используемые при построении внутренних функцио­нальных структур АЦП. Будут рассмотрены важнейшие характери­стики этих конструкций.

Большинство схемных реализаций АЦП основано или на испо­льзовании внутреннего ЦАП, или на применении некоторого спосо­ба интегрирования для осуществления функции преобразования. Су­ществуют АЦП, не относящиеся ни к одному из этих двух широких классов преобразователей; в них реализован способ параллельного или мгновенного преобразования, используемый главным образом для построения сверхбыстродействующих АЦП.

АЦП с динамической компенсацией и следящий АЦП

На рис. 5.5(а) показана структурная схема АЦП с динамической компенсацией. В этом АЦП используется счетчик импульсов, кото­рый в процессе счета обеспечивает постепенное нарастание выход­ного сигнала связанного с ним ЦАП, пока этот сигнал не превысит уровень входного сигнала. Счетчик сбрасывается перед началом каждого преобразования и затем увеличивает свое содержимое на 1 при прохождении каждого тактового импульса. Выходной сигнал ЦАП при каждом единичном изменении состояния счетчика возрастает на величину МЗР, как показано на рис. 5.5(6). Компаратор останавливает счетчик, когда выходное напряжение ЦАП достигает уровня входного сигнала. Выходной сигнал (состояние) счетчика в этот момент как раз и является цифровым выходным сигналом АЦП. Главный недостаток этого простого способа аналого-цифрового преобразования — зависимость времени преобразования от уровня входного сигнала, причем это время может быть к тому же довольно велико (2 периодов тактовых импульсов для n-разрядного преобразователя в случае входного сигнала, близкого по уровню к величине полного диапазона).



В модифицированном варианте АЦП с динамической компенсацией — так называемом «следящем» АЦП (или «серво-АЦП») — используется реверсивный счетчик, позволяющий ЦАП непрерывно отслеживать входной сигнал при условии, что измене­ния входного сигнала невелики. На рис. 5.5(в) иллюстрируется ха­рактер изменения выходного сигнала ЦАП в АЦП следящего типа. Останавливая счетчик подачей внешнего воздействия в нужный мо­мент времени, мы можем использовать следящий АЦП в качестве УВХ с цифровым выходом и сколь угодно большим временем хра­нения. Допуская возможность счета или только в прямом, или только в обратном направлении, можно с помощью этого АЦП по­лучать цифровой выходной сигнал, соответствующий максимально­му или минимальному значению входного сигнала в данном вре­менном интервале.
АЦП последовательного приближения
Метод последовательного приближения — наиболее распро­страненный способ реализации функции аналого-цифрового преоб­разования в преобразователях со средним и высоким быстродейст­вием. В структуру АЦП последовательного приближения также входит ЦАП. Однако в отличие от АЦП с динамической компенса­цией в АЦП последовательного приближения выходной сигнал ЦАП нарастает до уровня входного сигнала точно за n тактов (для n-разрядного преобразователя). В результате процесс преобразова­ния занимает гораздо меньше времени, и, кроме того, время преоб­разования не зависит от уровня входного сигнала. Данный метод основан на аппроксимации входного сигнала двоичным кодом и по­следующей проверке правильности этой аппроксимации для каждо­го разряда кода, пока не достигается наилучшее приближение к ве­личине входного сигнала. На каждом этапе этого процесса двоичное представление текущего приближения хранится в так называемом регистре последовательного приближения (РПП).

На рис. 5.6 показана базовая функциональная схема 3-разряд­ного АЦП последовательного приближения с иллюстрацией при­нципа ее работы. Преобразование всегда начинается с установки единичного значения СЗР в РПП.



Это соответствует первоначаль­ной оценке величины входного сигнала половиной величины полно­го диапазона (полной шкалы). Компаратор сравнивает выходной сигнал ЦАП с входным напряжением и выдает контроллеру коман­ду на сброс СЗР, если эта первоначальная оценка превышает вели­чину входного сигнала; в противном случае остается установленное значение СЗР. В следующем такте котроллер устанавливает в еди­ничное значение следующий (по старшинству) разряд, и снова, исхо­дя из уровня входного сигнала, компаратор «решает», сбрасывать или оставлять установку этого разряда. Преобразование продолжа­ется аналогичным образом, пока не будет проверен последний МЗР. В этот момент содержимое РПП и выходного регистра является наилучшим двоичным приближением входного сигнала — это и есть выходной цифровой сигнал (слово) АЦП. Поскольку в процес­се последовательного приближения установка значений разрядов выполняется в последовательном порядке, то в АЦП этого типа ис­ключительно просто обеспечивается последовательный вывод дан­ных. Обратим внимание, что предполагалось постоянство уровня входного сигнала в процессе преобразования. Вообще говоря, мы не можем гарантировать выполнение этого условия, и необходимо учитывать влияние изменения входного напряжения на выходной сигнал преобразователя; эта проблема обсуждалась в разд. 5.1.

Двухтактный интегрирующий АЦП

На рис. 5.7 иллюстрируется метод двухтактного (или двойного) интегрирования. Входное напряжение интегрируется в течение фик­сированного интервала времени Т1, который, как правило, соответ­ствует временной реализации всей счетной последовательности внутреннего счетчика. В конце этого интервала счетчик сбрасывает­ся, а вход интегратора переключается на источник опорного сигна­ла. Выходное напряжение интегратора теперь уменьшается по ли­нейному закону, пока не достигается его нулевое значение, где счет­чик останавливается и интегратор устанавливается в исходное со­стояние. Заряд, накопленный интегрирующим конденсатором в те­чение первого интервала, должен быть равен заряду, потерянному им в течение второго интервала; значит,

.

Отсюда следует



Заметим, что отношение временных интервалов является одновре­менно отношением содержимого счетчика к числовому выражению полного диапазона счета. Другими словами, состояние счетчика в конце интервала t2 представляет собой выходное слово на двоичном выходе АЦП, Рассмотренная схема преобразования легко модифи­цируется для АЦП, использующих другие выходные коды.

Метод двухтактного интегрирования обеспечивает ряд преиму­ществ, главное из которых — отличные шумовые характеристики.



Поскольку входное напряжение интегрируется в течение некоторого промежутка времени, любые высокочастотные шумы, накладываю­щиеся на входной сигнал, при интегрировании компенсируются. Кроме того, фиксированный временной интервал Т1 можно вы­брать таким, чтобы почти полностью исключить помехи с частотами, кратными 1/Т1. Для этой цели обычно выбирается временной интервал, определяемый частотой бытовой сети.

Следует отметить, что вариации частоты синхронизации не вли­яют на разрешение. Разрешение преобразователя ограничено только возможностями входящих в него аналоговых схем, а не дифференци­альной нелинейностью, так как выходной сигнал интегратора не­прерывен и не может приводить к появлению каких-либо выпадаю­щих кодовых комбинаций на выходе преобразователя. Поэтому до­вольно просто получить хорошее разрешение и варьировать его пу­тем изменения разрядности внутреннего счетчика и частоты син­хронизации.

Главный недостаток двухтактного интегрирующего АЦП — низ­кое быстродействие. Например, если Т1 выбирается из условия ослабления сетевых наводок с частотой 60Гц и их гармоник, то ми­нимальное возможное значение Т1 будет равно 16,67 мс. Поскольку время преобразования может вдвое превышать эту величину, то производительность преобразователя ограничена 30 отсчетами в се­кунду; такая производительность слишком мала для любой бы­стродействующей системы сбора данных. Двухтактные интегри­рующие преобразователи широко используются в измерительных устройствах с отображением информации на цифровых индикатор­ных панелях, в цифровых мультиметрах и термометрах и в других аналогичных устройствах, где допустима низкая скорость отсчетов.

АЦП с преобразованием напряжения в частоту



На рис. 5.8 представлена схема метода аналого-цифрового пре­образования с использованием преобразования напряжения в часто­ту. Аналоговое входное напряжение преобразуется с помощью пре­цизионного преобразователя напряжение — частота (ПНЧ) в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна вели­чине этого напряжения. Затем счетчик формирует выходное цифро­вое слово путем подсчета этих импульсов в течение фиксированного интервала времени. Заметим, что входной сигнал эффективно инте­грируется в этом интервале. Как и метод двухтактного интегриро­вания, данный метод преобразования характеризуется низким бы­стродействием, но хорошей помехоустойчивостью.

Если приемлемо большое время преобразования, метод преобра­зования напряжение — частота позволяет получить высокое разре­шение для медленно изменяющихся сигналов при очень низкой сто­имости. Например, при подсчете импульсов ПНЧ с частотой 10 кГц в течение 1 с обеспечивается точность 10^-5 (т. е. лучшая, чем при 13-разрядном разрешении). Более того, эта точность сохраняется в широком диапазоне изменения величины входного сигнала. Громад­ные преимущества использования преобразования напряжение — частота очевидны для систем дистанционного считывания данных в условиях внешних помех. В таких применениях ПНЧ располагает­ся в непосредственной близости к удаленному измерительному пре­образователю. Последовательность импульсов, вырабатываемых ПНЧ, в цифровой форме передается на большие расстояния к стан­ции контроля, где приемно-счетное устройство преобразует эту по­следовательность в цифровой выходной сигнал. Тем самым исклю­чается передача аналогового сигнала по подверженным внешним помехам линиям передачи и возможное при такой передаче ухудше­ние отношения сигнал/шум. Передача данных в цифровой форме исключает также синфазные помехи. При необходимости может быть обеспечена гальваническая развязка выхода преобразователя с датчиком; это требуется при осуществлении контроля и управле­ния в высоковольтных системах.

Практическая эффективность использования данного метода аналого-цифрового преобразования зависит от наличия дешевых ПНЧ с хорошей линейностью и стабильностью. Имеется несколько методов реализации функции преобразования напряжения в часто­ту. Наиболее известный из них — метод зарядового уравновешива­ния, который обсуждался в разд. 1.9, где были также описаны не­которые ПНЧ, имеющиеся в продаже.

АЦП параллельного, или мгновенного, преобразования


Метод мгновенного, или параллельного, преобразования иллю­стрируется на рис. 5.9. Он используется в тех случаях, когда требуется очень высокая скорость преобразования, например в видеотех­нике, радиолокации, в цифровых осциллографах. В этом методе входной сигнал сравнивается одновременно со всеми пороговыми уровнями с помощью компараторов, смещенных по уровню опор­ного сигнала на 1 МЗР относительно друг друга. Смещение в пре­образователе обеспечивается путем использования генератора опор­ного сигнала и прецизионной резистивной схемы. При подаче ана­логового сигнала на вход АЦП компараторы, смещенные выше уровня входного сигнала, имеют на выходе логический 0, а смещен­ные ниже этого уровня — логическую 1. Так как все компараторы изменяют свое состояние одновременно, процесс квантования осу­ществляется за один шаг. Быстродействующий шифратор затем преобразует выходные сигналы компараторов в выходной сигнал всего АЦП. Скорость преобразования в этом случае достигает 100МГц при 8-разрядном разрешении. Однако разрешение моно­литных параллельных преобразователей ограничено из-за большого числа требуемых компараторов (255 для 8-разрядного АЦП).

Программная реализация аналого-цифрового преобразования

Такие функции, как счет, сдвиг, инвертирование, преобразование кодов и некоторые другие реализуются с помощью программных средств самого микропроцессора. Иногда используется такая про­граммная реализация аналого-цифрового преобразования. Однако ее практическая ценность невелика, поскольку имеется очень большой выбор дешевых АЦП с хорошими рабочими характеристиками.

4. 
   Рекомендации по выбору и использованию АЦП. [Л.2, глава 5, с.220-229]
   

Аналого-цифровые преобразователи. Фирмы, выпускающие АЦП, предлагают устройства с очень широким диапазоном рабочих параметров. Используемый метод преобразования (последовательного приближения, двухтактного интегрирования, параллельного преобразования или какой-либо другой из рассмотренных в разд. 5.2) и технология изготовления схемы (монолитная, гибридная, модульная) определяют наиболее существенные характеристики АЦП – быстродействие, разрешение, стоимость. Диапазоны изменения некоторых характеристик серийно выпускаемых АЦП разного типа представлены на рис. 5.15.



Наиболее широк выбор АЦП последовательного приближения,используемых в большинстве слу­чаев применения аналого-цифрового преобразования. Самыми де­шевыми являются монолитные АЦП. За последние несколько лет сделан громадный скачок в улучшении их рабочих параметров. Мо­нолитные АЦП изготавливаются с использованием КМОП- и бипо­лярной технологий. КМОП АЦП характеризуются очень малым энергопотреблением и допускают реализацию на самом кристалле аналогового мультиплексора, входного фиксатора, дешифратора и тристабильного буфера. Однако в КМОП-технологии возникают трудности с формированием прецизионного источника опорного сигнала и прецизионного быстродействующего компаратора. Бипо­лярная технология обеспечивает простую реализацию этих функ­ций, но при относительно невысоком уровне интеграции. Эти огра­ничения можно обойти при использовании И Л-схемотехники. В этом случае удается создать законченный интегральный АЦП с так­товым генератором, источником опорного сигнала и соответствую­щими буферными схемами на одном кристалле.

1. Выбор АЦП

Чтобы правильно выбрать АЦП для конкретного применения, нужно знать обусловленные этим применением требования к его рабочий параметрам — разрешению, времени преобразования, до­пустимой погрешности и т. д. Эти требования определяются проек­тируемыми техническими характеристиками разрабатываемой сис­темы сбора данных. Наиболее важными являются следующие ха­рактеристики:

• 
  Число аналоговых каналов.
  
• 
  Производительность. Учитывается как производительность всей системы, так и максимальная производительность для отдельных каналов.
  
• 
  Расположение измерительных преобразователей (вблизи или в удалении от выходного терминала).
  
• 
  Точность преобразования.
  
• 
  Окружение. В частности, важно знать уровень электричес­ких помех и диапазон изменения окружающей температу­ры.
  
• 
  Стоимость системы
  

Разработка системы обычно начинается с выбора ее конфигура­ции (см. разд. 5.4). Затем выясняются требования к рабочим харак­теристикам каждого компонента системы. Мы обсудим этот этап на примере АЦП.

Точность АЦП. Требования к точности преобразователя вытека­ют из соответствующей технической характеристики разрабатывае­мой системы сбора данных с учетом погрешностей, вносимых все­ми другими компонентами этой системы. Распространенная ошиб­ка — выбор АЦП с разрешением, удовлетворяющим этому требо­ванию по точности, поскольку фактическая точность преобразова­теля хуже того значения, на которое указывает разрешение, в силу наличия различных погрешностей преобразователя. Список вкладов основных погрешностей, называемый бюджетом погрешностей, по­могает рассчитать реальную точность преобразователя. Пример со­ставления бюджета погрешностей и расчета точности приведен в разд. 5.6.

Время преобразования. Требуемое от АЦП число преобразова­ний, выполняемых за одну секунду, определяется проектируемой производительностью системы сбора данных, числом каналов и вы­бранной конфигурацией системы. Частота дискретизации по одно­му каналу равна производительности АЦП только в том случае, когда для каждого канала используется отдельный АЦП. Список всех временных задержек, связанных с одним преобразованием, на­зывается временным бюджетом. Производительность АЦП рассчи­тывается, исходя из этого временного бюджета. Пример расчета производительности АЦП приведен в разд. 5.6.

Тип АЦП. Для выбора типа АЦП обычно достаточно информа­ции об используемой конфигурации системы, требуемом разреше­нии АЦП и времени преобразования. Например, для обеспечения среднего или высокого быстродействия следует выбрать АЦП по­следовательного приближения. Если одновременно требуется также высокое разрешение, то придется, по-видимому, применить АЦП, выполненный по гибридной технологии. При высоком разрешении, но низком быстродействии более подходящим будет двухтактный интегрирующий АЦП. Двухтактному интегрирующему АЦП следу­ет отдать предпочтение и в тех случаях, когда нужно обеспечить высокую помехоустойчивость или ослабить наводки с частотой 60 Гц. Аналогично в системах дистанционного сбора данных лучше всего использовать АЦП на основе преобразования напряжения в частоту, тогда как в сверхбыстродействующих системах сбора дан­ных вне конкуренции будет АЦП параллельного преобразования.

Другие факторы. Выяснив, какой тип АЦП нам нужем, мы дол­жны затем выбрать среди АЦП данного типа устройство, удовлет­воряющее всем другим нашим требованиям. Например, диапазон температур, в котором предполагается использовать АЦП, опреде­ляет эксплуатационный класс выбираемого устройства: должно ли оно относиться к классу коммерческих устройств (диапазон рабочих температур О... 70° С) или предназначается для промышленных (-25... +85°С) или военных (-55... +125 °С) применений. Нужно проверить также входной диапазон устройства, его совместимость с биполярными входными сигналами, форму представления выход­ных цифровых данных (последовательная или параллельная) и, если это необходимо, возможность реализации интерфейса с микропро­цессорами.

2. 
   Рекомендации по использованию АЦП
   

Соблюдение некоторых простых правил при использовании АЦП будет гарантией того, что мы получим от него наибольшую отдачу.

Используйте полный входной диапазон АЦП. Если входной сиг­нал изменяется только от 1 до 3,5В при использовании АЦП с входным диапазоном 0...5В, погрешность преобразователя факти­чески удваивается. Чтобы предотвратить это неоправданное ухуд­шение рабочих характеристик преобразователя, используйте предва­рительное масштабирование сигнала для обеспечения максимально возможного соответствия диапазона его изменения и входного диа­пазона АЦП.

Используйте хорошие источники опорного сигнала. Темпера­турный и временной дрейфы опорного сигнала проявляются как по­грешность усиления и поэтому должны удерживаться на минималь­ном уровне. Прецизионный интегральный источник опорного сигна­ла — хороший выбор для большинства применений.

Обращайте внимание на скорость изменения входного сигнала. Изменения входного сигнала в течение времени преобразования приводят к погрешности усиления в АЦП последовательного при­ближения. Если характер изменения входного сигнала непредсказу­ем, используйте УВХ. Модели УВХ общего назначения довольно дешевы. Используйте высококачественные полипропиленовые или полистирольные конденсаторы в качестве запоминающих конденсаторов в УВХ.

Применяйте отдельные общие провода для цифровых и аналоговых схем. Цифровые сигналы создают большие выбросы тока на общих проводах. Общие провода аналоговых и цифровых компоне­нтов схемы должны быть отдельными и должны соединяться только в одной общей точке.

Добивайтесь минимизации помех и не забывайте о нагрузочных характеристиках схем. Стремитесь к уменьшению погрешностей входного аналогового сигнала, вызываемых земляными контурами, синфазными наводками и другими помехами, с помощью техниче­ских приемов, описанных в гл. 2. Вводите адекватное шунтирова­ние (танталовый конденсатор емкостью 10мкф — для пульсаций и керамический конденсатор емкостью 10 или 100нФ — для импульс­ных помех) каждой ТТЛ ИС в цифровой части схемы. Не нагружай­те управляющие линии более чем двумя ТТЛ БИС или используйте буферные схемы. Буферные схемы имеются на выходе большинства АЦП, но может потребоваться дополнительная буферизация, если выходные линии, по которым передаются данные, имеют достаточ­но большую длину или если к выходу АЦП подключено несколько других устройств.
(дополнительный материал: ЛР №4 ”ИИС на примере контроллера SSJKS4. Исследование работы АЦП”.)

5. 
   Применение унифицирующих преобразователей.
   

Основное назначение унифицирующих преобразователей связано с приведе­нием аналоговых измерительных сигналов к диапазону стандартных значений(например установленных ГОСТ 9895-78 и ГОСТ 26013-81). Применение унифицирующих элементов расширяет возможности использования ИИС, делает их более уни­версальными. В то же время выполнение некоторых операций унификации сиг­налов (в частности, масштабирование) связано с введением дополнительных по­грешностей в конечный результат измерения и контроля.

Основные функции, выполняемые унифицирующими элементами, сводятся к линейным (установление нуля, температурная компенсация, масштабирование) и нелинейным (линеаризация) преобразованиям сигналов от измерительных це­пей с датчиками, а также к уменьшению влияния на них помех.

Унифицирующие преобразователи могут быть индивидуальными, связанными с одним датчиком, и групповыми, работающими с несколькими измерительными цепями. Групповые унифицирующие элементы обычно используются в системах, имеющих коммутаторы сигналов измерительных цепей. При применении группо­вых унифицирующих элементов особенно важно, чтобы выполнялись условия правильного согласования их точностных и динамических характеристик с ха­рактеристиками коммутатора и других элементов измерительного тракта.
(см. также масштабные усилители, амплитудные ограничители, формирователи импульсных сигналов, триг. Шмитта…)