Аналого-цифровые преобразователи - Типы преобразователей

Предварительные замечания об АЦП

Кроме чисто "цифрового" сопряжения (ключи, лампы в т. п.), которое обсуждалось в нескольких предыдущих разделах, часто требуется точно преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала и наоборот. Это необходимо в тех случаях, когда ЭВМ или процессор следят или управляют экспериментом или процессом, а также, если цифровая техника используется для выполнения "обычно" аналоговых функции. Аналого-цифровое преобразование необходимо для применений, в которых аналоговая информация подвергается промежуточному преобразованию в цифровую форму для помехозащищенной передачи (например, "цифровая звукотехника" или импульсно-кодовая модуляция -- ИКМ). А/Ц преобразование необходимо для целого ряда измерительных устройств (включая обычные настольные приборы, такие, как цифровые мультиметры, и более экзотические приборы, как, например, усреднители переходных процессов, "ловушки игольчатых импульсов" в осциллографы с цифровой памятью). Они также нужны в устройствах формирования в обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы и шифраторы данных.

И наконец, эти методы преобразования, которые мы ниже рассматриваем, играют важную роль в аналоговых дисплеях, применяемых в сочетании с цифровой техникой, например приборные индикаторы или двухкоординатные дисплеи (графопостроители), управляемых от ЭВМ. А/Ц - или Ц/А-преобразователи можно использовать даже в относительно простых электронных устройствах, поскольку уже в ближайшем будущем стоимость аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) будет совсем незначительной (порядка 5 долл.). Коды. В АЦП часто используются смещенный и дополнительный коды, а иногда прямой код и код Грея.

Погрешности преобразователей. Погрешности А/Ц - и Ц/А преобразователей -- весьма сложная тема, о которой можно писать и писать... Как утверждает Берни Гордон из Аnаlоgiс, если разработчик рассчитывает получить преобразователь высокой точности, основываясь исключительно на паспортных данных, значит, он недостаточно ясно представляет себе этот вопрос. Не придерживаясь в точности указанной точки зрения, рассмотрим четыре основных типа погрешностей преобразования. Приведем говорящие сами за себя диаграммы четырех основных типов погрешностей: погрешности сдвига, погрешности шкалы, нелинейности немонотонности (рве. 9.35).

Аналого-цифровые преобразователи

Существует много способов А/Ц - преобразования, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. Поскольку, как правило, проще приобрести готовый модуль или ИМС АЦП, чем заниматься его разработкой, мы будем рассматривать различные методы А/Ц - преобразования до некоторой степени сжато, ставя основной целью облегчить грамотный выбор АЦП для требуемого применения. В следующем разделе мы приведем типовые примеры использования АЦП.

Параллельное кодирование

Этот метод заключается в следующем: входное напряжение подается одновременно на первые входы каждого из n компараторов, а их вторые входы подключены к n источникам равномерно изменяющихся опорных напряжений (n источников). Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответствующий самому старшему сработавшему компаратору (рис. 9.4 1). Способ параллельного кодирования (иногда он называется способом "мгновенного" кодирования) отличается наибольшим быстродействием. Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме запаздываний компараторов и шифратора. Если взять компараторы типа NE521 и шифратор 74148, можно получить типовое значение времени задержки менее 20 нс. Параллельные преобразователи, выпускаемые промышленностью, имеют от 16 до 256 уровней квантования (от 4 до 8 разрядов выходного кода). При большем числе разрядов АЦП становятся чрезмерно дорогостоящими и громоздкими. Преобразователь ТDC10007J фирмы ТRW имеет 256 уровней квантования при времени преобразования 33 нс., а его стоимость в настоящее время составляет несколько сотен долларов. Для создания таких высококачественных преобразователей требуются предельно быстродействующие компараторы (15 нс) с величиной переключающего напряжения не более 1/256 полной шкалы, при этом для работы шифратора отводится 15 нс; в реальных устройствах приоритетные шифраторы должны вырабатывать на выходе код Грея для того, чтобы избежать возникновения ошибок при входных уровнях, близких порогам компаратора.

Метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания)

При данном широко распространенном методе преобразования формируются пробные коды, которые поступают на ЦАП, а выходной сигнал последнего сравнивается при помощи компаратора с аналоговым входным сигналом. Обычно в исходном состоянии все разряды устанавливаются в "0". Затем каждый из них, начиная со старшего, поочередно устанавливается в "1". Если выходной сигнал ЦАП не превышает уровень входного аналогового сигнала, разряд остается в состоянии "1", в противном случае он сбрасывается обратно в "0". для n-разрядного АЦП необходимо совершить n таких шагов. Подобный процесс может быть представлен, как двоичный поиск, начинающийся с середины. В модуле АЦП последовательного приближения имеются вход НАЧАЛО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ и выход ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЫПОЛНЕНО. Все преобразователи имеют параллельный цифровой выход (все разряды выводятся одновременно по n отдельным шинам) и, как правило, еще в последовательный выход (n разрядов выходного кода выдаются последовательно, начиная с СЗР, по одной выходной линии).

АЦП последовательного приближения имеют относительно высокую точность и высокое быстродействие: для n - разрядного преобразования требуется время только на n обращений к ЦАП. Для стандартных устройств стоимостью от 10 до 400 долл. типовые значения времени преобразования составляют от 1 до 50 мкс при точности от 8 до 12 разрядов. Преобразователи такого типа оперируют мгновенными значениями входного сигнала, поэтому если за время преобразования сигнал изменится, погрешность не превысит величину этого изменения. Для АЦП подобного типа крайне нежелательны выбросы на входе. Эти довольно точные в целом преобразователи могут обладать существенной нелинейностью и давать сбои в кодах.

В модификации, известной под названием "следящего" АЦП, используется реверсивный счетчик, который последовательно формирует пробные коды. Реакция на скачки входного сигнала получается довольно медленная, но гладкие изменения отрабатываются быстрее, чем в преобразователе с последовательным приближением. Скорость отслеживания быстрых изменений пропорциональна тактовой частоте собственного генератора преобразователя.

Преобразователь напряжения в частоту

При данном методе входное аналоговое напряжение преобразуется в последовательность импульсов, частота которой пропорциональна входному уровню. Это легко сделать, если заряжать конденсатор током, пропорциональным входному сигналу, а затем разряжать его после того как линейно нарастающее напряжение достигнет заданного порога. Для получения большей точности данный метод используют в сочетании с обратной связью. В одном из вариантов метода выход преобразователя частоты в напряжение сравнивается с уровнем входного аналогового сигнала, а частота формируемых им импульсов подстраивается до такой величины, при которой на входы компаратора будут поступать одинаковые уровни. В более распространенных методах используется принцип "уравновешивания заряда".

Типовой диапазон частот выходных сигналов преобразователей напряжения в частоту лежит в пределах от 10 кГц до 1 МГц (для максимального входного напряжения). Имеющиеся в настоящее время преобразователи имеют эквивалентную разрешающую способность 12 бит (точность 0,01 %), Они удобны и недороги, особенно в тех случаях, когда требуется передавать сигнал по кабелю, или если нужен частотный, а не кодовый выход. Если быстродействие не является важным фактором, можно достаточно просто получить цифровой код, пропорциональный среднему значению входного сигнала. Для этого надо подсчитать число выходных импульсов‚ преобразователя напряжения в частоту за фиксированный интервал времени. Этот метод широко используется в цифровых панельных приборах средней точности (3 цифры).

Одностадийное интегрирование

Этот метод заключается в следующем: генератор линейно изменяющегося напряжения (источник тока и конденсатор) запускается в начале преобразования, после чего счетчик начинает считать импульсы, поступающие от стабилизированного тактового генератора. Когда линейно изменяющееся напряжение станет равным входному уровню, компаратор остановит счет; полученное число будет пропорционально входному сигналу и может быть использовано в качестве выходного кода. Этот метод иллюстрируется рис. 9.42. В конце преобразования конденсатор разряжается, счетчик сбрасывается и преобразователь готов к очередному циклу работы. Метод одностадийного преобразования прост, но он накладывает жесткие ограничения на стабильность и точность конденсатора и компаратора. В тех случаях, когда требуется высокая точность, он не используется. Указанные недостатки (а также ряд других) позволяет устранить метод с "двухстадийного" интегрирования, который применяется в тех случаях, когда требуется обеспечить Высокую точность. В тех случаях, когда абсолютная точность не нужна, но зато требуется высокая разрешающая способность и равномерное распределение смежных уровней, до сих пор применяют метод одностадийного интегрирования. В качестве примера можно привести анализатор амплитуды импульсов, в котором амплитуда фиксируется пиковым детектором и преобразуется в адресный сигнал. Поскольку здесь необходимо обеспечить равенство ширины каналов (т. е. шагов квантования уровня), преобразователь с последовательным приближением непригоден. Метод одностадийного интегрирования используется также в преобразователях интервала времени в амплитуду

Методы уравновешивания заряда

Существует ряд методов, общей особенностью которых является использование конденсатора для отслеживания отношения уровня входного сигнала к эталонному. Все эти методы основаны на усреднении (интегрировании) входного сигнала за фиксированный интервал времени, относящийся к одному измерению. При этом достигаются два важных преимущества: 1. Поскольку входной и эталонный сигналы подаются на один и тот же конденсатор, к его собственной стабильности и точности не предъявляется высоких требований. К компаратору также предъявляются пониженные требования. Это позволяет при том же качестве применяемых элементов получить большую точность или снизить стоимость при той же точности. 2. Входной сигнал преобразователя пропорционален среднему значению входного сигнала на фиксированном интервале интегрирования. Выбирая время интегрирования кратным периоду сетевого напряжения, можно обеспечить нечувствительность преобразователя к сетевым наводкам с частотой 60 Гц и ее гармоникам. Чувствительность к помехам в функции их частоты для времени интегрирования 0,1 с показана на рис. 9.43. Для того чтобы сетевые наводки частотой 60 Гц хорошо подавлялись, надо точно сформировать интервал интегрирования. Даже не значительная погрешность (доли процента) тактовой частоты вызовет неполное подавление наводок. Здесь желательно применять генератор с кварцевой стабилизацией частоты. Недостатком метода уравновешивания заряда является низкое по сравнению с методом последовательного приближения быстродействие.

Двухстадийное интегрирование

Этот изящный и широко распространенный метод преобразования позволяет избежать большинства трудностей, которые присущи методу одностадийного интегрирования, и связаны со стабильностью параметров конденсатора и компаратора. На рис. 9.44 иллюстрируется идея метода. Сначала конденсатор в течение фиксированного промежутка времени заряжается током, точно пропорциональным входному сигналу, после чего он разряжается постоянным током до тех пор, пока напряжение на нем снова не станет равным нулю. Время разряда конденсатора пропорционально значению входного сигнала и используется для подсчета тактовых импульсов фиксированной частоты при помощи счетчика. Полученное число, пропорциональное входному уровню, является выходным цифровым сигналом. Метод двухстадийного интегрирования позволяет получить высокую точность, не предъявляя чрезмерно высоких требований к стабильности компонентов. В частности, здесь нет надобности иметь высокостабильный конденсатор, поскольку скорость изменения его напряжения, как на стадии заряда, так и разряда обратно пропорциональна емкости С. Более того, дрейф или сдвиг шкалы компаратора самокомпенсируется, так как каждая стадия преобразования начинается и заканчивается при одном и том же напряжении, а зачастую и с одним и тем же наклоном. В самых точных преобразователях циклу преобразования предшествует цикл "автокоррекции нуля", во время которого на вход преобразователя подается нулевой сигнал. Так как в обоих циклах используются те же самые интегратор и компаратор, то, вычитая результат, полученный в цикле "автокоррекции", из последующего результата измерения, получают эффективное снижение погрешностей в начальном участке шкалы преобразования. Однако погрешности по всей шкале при этом не корректируются. Заметим, что при использовании метода двухстадийного интегрирования даже к стабильности тактовой частоты не предъявляются высокие требования. Дело в том, что на первой стадии фиксированный интервал интегрирования получают делением частоты тех же самых тактовых импульсов, которые используются при счете. Если тактовая частота снизится на 10%, то на 10% повысится уровень, которого достигает линейно нарастающее напряжение на первой стадии, и соответственно на 10% увеличивается время разряда. Так как последнее отсчитывается с помощью тех же тактовых импульсов, частота которых снизилась на 10%, то окончательное число получится неизменным! В двухстадийном преобразователе с внутренней автокоррекцией нуля высокую стабильность должен иметь только разрядный ток. Прецизионные эталонные источники тока и напряжения получить достаточно легко, причем в этом типе преобразователя при помощи регулировок эталонного тока задается коэффициент преобразования. Двухстадийное интегрирование широко применяется в прецизионных цифровых мультиметрах, а также в преобразовательных модулях с разрешающей способностью от 10 до 18 бит. В некритичных к быстродействию применениях этот способ обеспечивает хорошие характеристик точности и стабильности при низкой стоимости и обладает высокой помехоустойчивостью к сетевым наводкам и прочим помехам. Используя преобразователь, основанный на этом способе, вы всегда получите наивысшую точность при заданных затратах. С увеличением входного сигнала выходной код растет строго монотонно.

Дельта-сигма преобразователи

Существует несколько методов А/Ц - преобразования, основанных на компенсации входного (среднего) тока коммутируемым зарядом или током внутреннего источника. Функциональная схема дельта-сигма - преобразователя приведена на рис. 9.45. Входное напряжение подается на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением, например с нулем. Импульсы тока фиксированной длительности (то есть с фиксированным приростом заряда) на каждом такте подключаются, в зависимости от состояния выхода компаратора, либо к суммирующей точке интегратора, либо к земле. В суммирующей точке поддерживается нулевой средний ток, то есть преобразование основано на принципе уравновешивания. Счетчик подсчитывает количество импульсов, которые поступают на суммирующую точку за интервал времени, определяемый путем отсчета заданного числа тактовых импульсов, например 4096. Число, полученное в счетчике за это время, пропорционально среднему значению входного сигнала и может быть использовано в качестве выходного кода. В дельта - сигма - преобразователях для формирования импульсов тока также можно использовать резистор и стабилизированный источник опорного напряжения, поскольку суммирующая точка фактически находится под потенциалом земли. В этом случае необходимо убедиться, что сопротивление замкнутого ключа меньше сопротивления резистора и изменения сопротивления ключа не вызовут дрейфа.

АЦП с коммутируемым конденсатором

К методу уравновешивания заряда тесно примыкает метод "дозированного заряда с запоминающим конденсатором" или метод "коммутируемого конденсатора". Этот метод заключается в следующем: сначала путем периодического заряда от стабилизированного источника опорного напряжения на конденсаторе запасается фиксированное количество электричества, после чего конденсатор разряжается на суммирующую точку. Как и в предыдущем случае, к выходу интегратора подключен компаратор, который управляет частотой переключения конденсатора. Выходной код формируется путем подсчета этой частоты па фиксированном интервале времени. Этот метод хорош для схем, в которых используется один источник питания, поскольку действующая полярность заряда, который передается от конденсатора в суммирующую точку, может быть изменена с помощью соответственно подключенных ключей на полевых транзисторах (т. е. путем коммутации обеих обкладок конденсатора). Примером устройства, использующего описанный метод, является преобразователь напряжения в частоту типа LМ33I, характерное преимущество которого заключается в том, что он работает от одного источника питания +5 В.

Замечания по поводу интегрирующих АЦII

При использовании метода двухстадийного интегрирования, а также всех методов, уравновешивания заряда входной сигнал усредняется на фиксированном интервале времени. По этой причине данные методы обеспечивают нечувствительность к сетевым наводкам как основной частоты, так и ее гармоникам. Методы‚ уравновешивания заряда в основном точны и недороги (для них, в частности требуется высокочастотный компаратор) и обеспечивают строго монотонные выходные характеристики. Однако по сравнению с методом последовательного приближения эти методы не отличаются высоким быстродействием. Так, на пример, преобразователь АDС100 фирмы Burr Brown при разрешающей способности 16 бит обеспечивает время преобразования 200 мс, его стоимость 200 долл. для сравнения: 16-разрядный преобразователь последовательного приближения DC - 160 фирмы Аnаlog Devices с временем преобразования 400 мкс стоит 1720 долл. В методах коммутируемого конденсатора и дельта - сигма - преобразования в отличие от двойного интегрирования используются компараторы низкой точности, которые подключают к выходам интеграторов, однако эти методы требуют точных схем коммутации заряда. В то же время двухстадийные методы нуждаются в высокой воспроизводимости характеристик компараторов, но не предъявляют таких высоких требований к ключам, по крайней мере в отношении быстродействия и инжекции заряда. Отметим одну интересную особенность интегрирующих методов (одно - и двухстадийное интегрирование и уравновешивание заряда): интегратор может иметь вход как по току, так и по напряжению с последовательно включенным резистором. Действительно, некоторые преобразователи имеют два входа, один из которых соединен непосредственно с суммирующей точкой. Этот вход используется для связи непосредственно с устройствами, которые являются источниками тока. Когда используется токовый вход, напряжение сдвига интегратора не играет роли, в то время как при использовании входа по напряжению (с последовательно включенным внутренним резистором) операционный усилитель интегратора дает ошибку, равную напряжению сдвига по входу. Токовый вход полезно иметь в тех случаях, когда надо получить широкий динамический диапазон, в особенности, если АЦП применяется совместно с устройствами, имеющими токовый выход, такими, например, как фотоумножители или фотодиоды. Здесь нужно опасаться таких недоразумений: сведения о точности АЦП, приводимые в паспортных данных, могли быть определены только для токового входа, хотя преобразователь имеет входы как по току, так и по напряжению. Если у такого преобразователя использовать вход по напряжению, то не следует рассчитывать на получение хороших характеристик при малых сигналах. Отметим, что все методы уравновешивания заряда включают в себя точный преобразователь напряжения в частоту и могут использоваться в этом качестве, если требуется частотный выход

Похожие статьи




Аналого-цифровые преобразователи - Типы преобразователей

Предыдущая | Следующая