Принципы и виды аналого-цифрового преобразовании

Сравнение измеряемого сигнала с опорным напряжением может осу­ществляться самыми различными способами. Наиболее распространенными из них являются следующие.

· АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импуль­сов. В АЦП этого типа входное аналоговое напряжение преобра­зуется в последовательность импульсов, частота которых пропорцио­нальна уровню входного сигнала. Это одни из самых старых методов ана­лого-цифрового преобразования и существуют много вариантов его прак­тической реализации. Такие АЦП довольно медленны (до 1 МГц) и не очень точны (не более 12-14 разрядов), но тем не менее очень просты в исполнении, а потому имеют низкую стоимость и находят широкое при­менение во многих цифровых приборах средней точности.. В самых про­стых вариантах для получения значения входного сигнала достаточно подсчитать количество импульсов, вырабатываемых преобразователем в единицу времени

· Аналого-цифровой преобразователь прямого преобразования или парал­лельный АЦП (рис. 1.24)содержит прецизионный многосекцион­ный делитель напряжения, с помощью которого опорное напряжение раз­деляется на строго идентичные дискретные уровни. Количество этих уров­ней равно количеству всех двоичных чисел, содержащихся соответствую­щего разрядности АЦП. Например, 8–разрядный АЦП содержит делитель из 2⁸ = 256 равных сопротивлений. Напряжения на делителе с помощью электронной схемы – компаратора, сравниваются с входным сигналом, причем на каждый дискретный уро­вень приходится одни компаратор. В любой момент времени только компа­раторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выда­дут на своём выходе сигнал превыше­ния. Шифратор, на который поступает этот сигнал, формирует выходной циф­ровой сигнал, обычно в коде Грея, со­ответствующий двоичному коду самого старшего компаратора.. Параллельные АЦП наиболее быстродействующие (T _d менее 1 нс), дорогостоящие и громозд­кие при ограниченной разрядности - обычно более 8 бит (256 компарато­ров). Область их применения ограни-чивается анализом высокочас­тотных сигналов, в том числе видео­сигналов. Малое время преобразования позволяет в АЦП этого типа обхо­диться без устройства вы­борки/хранения.

· АЦП последовательного приближе­ния или АЦП с поразрядным уравно­вешиванием. Это один из наиболее распространенных типов АЦП, в ко­тором с помощью вспомогательного цифро-аналогового преобразова-теля (ЦАП) формируются пробные коды – значения опорного напряже-ния, ко­торые сравниваются с измеряемым сигналом. Цикл работы АЦП состоит их N шагов, на каждом из которых определяется по одному биту искомого цифрового значения сигнала. Соответственно N - разрядный АЦП преобра­зует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов. АЦП этого типа требуют наличия устройства выборки/хранения и при его наличии облада-ют одно­временно достаточно высокой скоростью (до 1 мкс) и хорошим разреше­нием (до 16 разрядов).

· Интегрирующие АЦП содержат генератор пилообразного напряжения (источник тока, резистор R и конденсатор С), задающий генератор компа­ратор и счётчик времени (рис. 1.25). Значения сопротивления резистора и емкости конденсатора выбираются таким образом, чтобы постоянная вре­мени цепи заряда конденсатора RC была много больше периода дискрети­зации T _d. В момент времени t ₀ ключ К1 замыкается и напряжение на кон­денсаторе начинает линейно нарастать. В этот же момент времени счетчик начинает считать импульсы поступающие с тактового генератора. В мо­мент времени t _p напряжение на конденсаторе сравнивается с величиной сигнала и с компаратора на счетчик поступает сигнал об окончании счета импульсов. Полученное число прошедших импульсов пропорционально величине входного сигнала и передается на шифратор, который вырабаты­вает соответствующий двоичный код. Одновременно с остановкой счета выдается команды на размыкание ключа К1 и замыкание на короткое время ключа К2, который замыкает цепь разряда конденсатора и через не­большое время схема готова к следующему циклу дискретизации.

Данный тип АЦП является одним из наиболее простым по структуре и со­держит минимальное число элементов, но при этом требует очень высокой стабильности всех входящих в него элементов. Поэтому такой тип АЦП ис­пользуется только там, где нет серьезных требований к точности измерений.

Аналого-цифровые преобразователи с уравновешиванием заряда со­ставляют целую группу АЦП, объединенных общим принципом – использо­вание одного конденсатора для определения отношения опорного сигнала к входному и усреднение входного сигнала за фиксированное время одного измерения. К этой группе относятся АЦП с двухстадийным интегрирова­нием, АЦП с многостадийным интегрированием, АЦП с коммутируемым конденсатором, дельта-сигма АЦП и ряд других. Все эти методы имеют два преимущества: (а) отсутствие требований к высокой стабильности всех эле­ментов и (б) возможность значительного подавления сетевых помех.

· В АЦП двустадийного интегрирования интегрирующий конденсатор в течении фиксированного промежутка времени. заряжается током, пропор­циональным входному напряжению. После чего разряжается фиксирован­ным током источника опорного напряжения, при этом время разряда кон­денсатора до нуля однозначно связано с его первоначальным зарядом от источника сигнала (рис. 1.26). Время заряда T _з =N/f задается, а время раз­ряда T_p=n/f измеряется путём счёта тактовых импульсов частотой f. Из соотношения количества тактовых при фиксированной длительности за­ряда конденсатора N находится величина входного сигнала n = U _вх N (RI₀)⁻¹, где U _вх — входное напряжение, R — сопротивление резистора, преобра­зующего входное напряжение в ток, I₀ — значение тока, разряжающего интегратор на втором этапе.

Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы - ём­кость конденсатора, тактовая частота и величина опорного напряжения, не входят в итоговое выражение. Не критична эта схема и к точности сраба­тывания и линейности компаратора, поскольку каждый цикл преобразова­ния начинается и заканчивается при одном и том же напряжении. Благо­даря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный вре­менной интервал АЦП этого могут быть малочувствительны к периодиче­ским помехам, в т.ч. сетевым. Такой эффект достигается, если период дис­кретизации выбран равным частоте помехи или частоте ее высших гармо­ник. Поэтому они обладают хорошей точность – их разрядность состав­ляет от 10 до 18 двоичных разрядов и часто используются в измеритель­ных приборах высокой точности. Однако высокая точность достигается за счет сравнительно невысокой скорости преобразования

· Еще более высокая точность преобразования, но при существенном сниже­нии его скорости, достигается в Сигма-Дельта (или Дельта-Сигма) АЦП. В преобразователях этого типа используются два дополнительных метода, которые позволяют существенно снизить уровень собственных шумов АЦП, который фактически и определяет его предельные пара­метры. По своей схеме дельта-Сигма АЦП это преобразователи двух ста­дийного интегрирования, в котором используется избыточная дискретиза­ция, многократно превышающая требуемую из расчетного периода дис­ кретизации T _d, и так называемый шум квантования. В результате за счет усреднения и спектральной фильтрации сигнала и удается получить 24-х разрядный АЦП с малым уровнем шумов, но и с достаточно малым быст­родействием - не более 1-20 кГц в специальных разработках и порядка 10-100Гц в стандартных изделиях.

Дата добавления: 2015-03-31