Структура и элементы АЦП

Аналого-цифровой преобразователь представляет собой сложное элек­тронное устройство, обобщенная структура которого практически повторяет структуру микропроцессорного прибора в целом (рис. 1.22), но тем не менее представляет собой отдельный конструктивный и функциональный элемент. Конструктивно все элементы, входящие в АЦП, могут быть выполнены по интегральной технологии на одном полупроводниковом кристалле (в одной микросхеме) или представлять набор соединенных между собой функцио­нальных микросхем. Большинство из элементов, показанных на рис. 1.22, не являются строго обязательными для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Их присутствие в структуре АЦП связано только с необходимо­стью обеспечить высокое качество процедуры преобразования, т.е. его точ­ность и воспроизводимость. Однако с увеличением функциональных элемен­

тов растет и стоимость АЦП, поэтому в каждом конкретном случае тип АЦП, а следовательно и его структура, выбирается в соответствии с теми зада­чами, для которых он предназначен.

В самом общем виде аналого-цифровой преобразователь состоит из не­скольких аналоговых и цифровых функциональных устройств

Входные аналоговые устройства АЦП в совокупности являются нор­мирующим измерительным преобразователем, который согласует параметры сигнала с параметрами преобразователя и включает три основных элемента - ограничитель уровня сигналов, фильтр нижних частот и масштабирующий усилитель. Аналогичные элементы являются обязательной частью любого измерительного прибора, поэтому, в принципе, их включение в состав АЦП не является строго обязательным. Однако, высокое качество аналого-цифро­вого преобразования возможно только в том случае, если эти устройства полностью интегрированы в его структуру и, соответственно, адаптированы к требованиям, которые предъявляется конкретный тип АЦП.

· Ограничитель уровня сигнала призван не допустить повреждения АЦП в случае появления на его входе напряжения, уровень которого превышает предельно допустимый (обычно 10-30 В).

· Фильтр нижних частот отсекает частоты входного сигнала, которые превы­шают частоту Найквиста и предназначается для подавления эффекта нало­жения частот. В качественных АЦП фильтр работает под управлением микропроцессора и частота отсечки f _N автоматически изменяется одно­временно с изменением частоты квантования.

· Масштабирующий усилитель предназначается для максимально эффектив­ного использования разрядности АЦП. Его задачей является приведение максимального уровня сигнала к верхней границе диапазона измерений АЦП Во многих АЦП предусматривается возможность программного управления коэффициентом усиления, что многократно расширяет эффек­тивный диапазон измерения всего АЦП и позволяет измерять малые сиг­налы с такой же относительной погрешностью, что большие.

Далее нормированный аналоговый сигнал через мультиплексор и уст­ройство выборки/хранения поступает на вход устройства сравнения, в кото­ром сравнивается с точно известные сигналом – опорным напряжением. Ре­зультат сравнения кодируется в шифраторе и в двоичном коде передается на контроллер, управляющий работой АЦП. Блок синхронизации задает все временные интервалы, необходимые для согласованной работы мультиплек­сора, устройства выборки/хранения, устройства сравнения и шифратора

· В большинстве практических важных случаев технически и экономически нецелесообразно использовать по каждому измерительному каналу собст­венный АЦП. Поэтому на входе в цифровую часть аналого-цифрового преобразователя часто стоит мультиплексор (коммутатор), который про­граммно управляется микропроцессором и поочередно подключает изме­рительные каналы (от 2 до 32) на вход собственно преобразователя.

·
Поскольку в реальном АЦП цикл преобразования имеет вполне определен­ную длительность, то необходимо устройство, которое должно запомнить значение аналогового сигнала в некоторый момент времени и удерживать его в течение всего времени преобразования. Этой цели служит устройство выборки-хранения (УВХ), упрощенная схема которого приве­дена на рис. 1.23. В некоторых типах АЦП схема выборки и хранения явля­ется частью устройства сравнения.

Схема выборки и хранения работает следующим образом. При подаче команды (импульса) выборки на электронный ключ К1 на короткое время t _d, которое составляет t _d ~ 1-1000 нс для разных типов АЦП, замыкает цепь за­ряда накопительного конденсатора С. Внутреннее сопротивление ключа К1 очень мало и конденсатор очень быстро за время t_зар < t _d заряжается до на­пряжения, равного напряжению сигнала. Далее цепь заряда конденсатора разрывается (ключ К1 размыкается) и по команде «преобразование» замыка­ется ключ К2, через который напряжение на конденсаторе С подается на уст­ройства дискретизации, т.е. собственно сам АЦП. Внутренне сопротивление ключа К2 очень велико и за время, равное длительности процесса оцифровки сигнала t _пр, разряда конденсатора С не происходит. Т.е. величина напряжения на его обкладках остается практически неизменной в течение всего процесса дискретизации. По его окончании ключ К2 размыкается, а на ключ К3 пода­ется команда «гашение» и конденсатор С очень быстро разряжается через малое внутреннее сопротивление ключа К3. Таким образом через время Т _d = t _d+ t _пр+ t _гаш цикл работы АЦП завершается.

· Источник опорного напряжения может быть интегрирован с микросхемой АЦП или представлять самостоятельный элемент. В высокоточных АЦП в качестве источника опорного напряжения используют нормальные эле­менты.

· Шифратор преобразует информацию, получаемую с устройства сравнения в двоичный код и далее выполняет роль последовательного или парал­лельного порта (в зависимости от типа АЦП), через который информация передается внешнему контроллеру.

Дата добавления: 2015-03-31