Общие сведения

Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование (измерение и кодирование) непрерывно изменяющихся во времени аналоговых значений в эквивалентные значения числовых кодов, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Преобразование обеспечивает соответствие дискретного отсчета х(t_i) значению кода N_ti. Количественная связь для любого момента времени t_i, определяется соотношением

N_ti = x(t_i)/Dx ± dN_ti

где dN_ti — погрешность преобразования на данном шаге (ошибка квантования или шум квантования), а Dx – шаг квантования (или аналоговый эквивалент единицы младшего разряда ЕМР).

АЦП являются устройствами, принимающими входные непрерывные сигналы от аналоговых устройств и выдающими на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.

АЦП, так же как и ЦАП, широко применяются в различных областях, являясь неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем и устройств обработки и отображения информации, автоматических систем контроля и управления, устройств ввода–вывода информации компьютера и т. д.

Основные параметры АЦП (диапазон изменения, временные параметры, статические погрешности) имеют тот же смысл, что и соответствующие параметрыЦАП, рассмотренные во второй части лекций. Поэтому рассмотрим только некоторые характерные особенности параметров АЦП.

8.1 Параметры АЦП

Физически процесс аналого-цифрового преобразования состоит из квантования и кодирования.

Процесс квантования аналогового значения приводит к возникновению ошибки квантования (шума квантования), максимальное значение которой ±1/2 единицы младшего разряда (±1/2 ЕМР) преобразователя.

На рисунке. 8.1, а, приведена характеристика преобразования, а на рисунке. 8.1, б — график ошибки квантования трехразрядного АЦП для нормированного входного сигнала.

Рисунок 8.1 Характеристика преобразования АЦП

Наряду с систематической ошибкой квантования имеет место и более или менее значительная ошибка, обусловленная схемой (инструментальная погрешность). Инструментальная погрешность АЦП (так же, как и ЦАП) обусловлена несовершенством отдельных элементов схемы и влиянием на них различных дестабилизирующих факторов. Инструментальная погрешность приводит к тому, что характеристики квантования реальных АЦП отличаются от идеальной, приведенной на рисунке. 8.1, а. Если середины ступеней идеальной ломаной линии характеристики квантования соединить, то получится прямая с единичным наклоном, выходящая из начала координат (на рисунке 8.1, а,— штриховая линия). В реальных АЦП эта прямая не проходит через нуль (погрешность смещения нуля DU_смещ. (рисунок 8.2, а) и ее наклон отличается от единичного (погрешность коэффициента передачи см. рисунок 8.2, б). Погрешность коэффициента передачи характеризуется справочным параметром, который называется абсолютной погрешностью преобразования в конечной точке шкалы (DU_max на рисунке. 8.2, б).

Погрешность коэффициента передачи в диапазоне преобразования сигнала вызывает постоянное относительное отклонение выходного значения от истинного, а погрешность смещения нуля обусловливает постоянную абсолютную погрешность. Обе эти ошибки, как правило, можно устранить посредством стабилизации нуля и полного отклонения. Остаются ошибки вследствие дрейфа параметров и их нелинейности.

В реальных АЦП имеет место отклонение усредненной характеристики квантования от идеальной прямой во всем диапазоне изменения входного сигнала (погрешность нелинейности DU_н (рисунок. 8.2 в). Другой мерой ошибки линейности преобразования является дифференциальная нелинейность. Она указывает, насколько ширина отдельной ступеньки отличается от заданного значения шага квантования (определяется аналогично

соответствующему параметру ЦАП). Если дифферениальная нелинейность по абсолютной величине превышает шаг квантования, то при измерении некоторые коды будут пропущены (рисунок. 8.2г).

Таким образом, с точки зрения статической точности работы, исчерпывающей характеристикой АЦП является его реальная характеристика квантования.

Рисунок. 8.2. Погрешности преобразования АЦП:а – погрешность смещения нуля; б – погрешность коэффициента передачи; в – нелинейность; г – пропуск кодов

Рассмотренные статические погрешности характеризует работу преобразователей при постоянных или квазипостоянных (постоянных на интервале преобразования) сигналах.

Динамические параметры АЦП. Время преобразования t_пр – это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних типов АЦП эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других – примерно постоянной. При работе без устройства выборки хранения является апертурным временем. Определяет достижимую частоту дискретизации (преобразования).

8.2 Кодоимпульсные АЦП

8.2.1 Последовательные АЦП с единичным приближением

Типичная схема последовательного АЦП с единичным приближением (АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением) дана на рис. 3.6, а. Импульс начала цикла преобразования, который в дальнейшем будем называть импульсом запуска, устанавливает триггер Т и при этом подключает счетчик Сч к выходу генератора импульсов G. Так как разряды счетчика соединены с разрядами ЦАП, то напряжение на выходе последнего U_цап увеличивается по ступенчатому пилообразному закону (рисунок. 8.3, б), причем значение ступени соответствует ЕМР АЦП. Процесс преобразования заканчивается, когда напряжение U_цап сравняется с входным напряжением U_вх (станет превосходить его). При этом компаратор К сбрасывает RS-триггер Т, прекращая тем самым поступление счетных импульсов на счетчик и фиксируя на его выходах код N, представляющий цифровой эквивалент входного напряжения в момент окончания преобразования.

Рисунок 8.3 Схема последовательного АЦП с единичным приближением (а) и временные диаграммы его работы (б)

Статическая погрешность преобразования рассмотренного АЦП определяется в основном суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора.

Быстродействие рассматриваемого АЦП, характеризуемое временем преобразования, определяется числом разрядов n и частотой счетных импульсов f_сч. Время преобразования АЦП данного типа является переменным и определяется уровнем входного напряжения. Максимальное время преобразования, соответствующее максимальному входному напряжению:

где Dt_сч = 1/ f_сч - период следования счетных импульсов.

.

Рассмотренный АЦП легко превратить в АЦП следящего типа. Для этого в схеме рис. 3.6, а необходимо заменить суммирующий счетчик на реверсивный и использовать прямой и инверсный выходы компаратора для управления им (см. рис. 3.7). В этом случае при U_вх» U_цап выходной код АЦП колеблется вокруг среднего положения с точностью до ЕМР, как это имеет место в любой дискретной следящей системе. Если в состоянии динамического равновесия U_вx(t) начинает изменяться, то выходной код АЦП отслеживает его с погрешностью, равной ЕМР, при условии, что за период счетных импульсов Dt_сч входной сигнал изменится не более чем на значение шага квантования DU, т. е.

8.2..2. АЦП последовательного приближения

Структурная схема последовательного АЦП с двоично-взвешенным приближением представлена на рисунке 8.5.

При получении команды на выполнение преобразование (приход импульса запуска) регистр последовательных приближений РПП по следующему за ним фронту тактового импульса от генератора G устанавливает логическую «1» на входе старшего (n-1)–го разряда ЦАП и логические «0» на входах всех остальных разрядов. Далее компаратор К сравнивает входное напряжение U_вх и напряжение с выхода ЦАП U_цап. Если преобразуемое напряжение U_вх>U_цап, то компаратор дает команду РПП оставить в старшем (n-1) разряде логическую «1», если наоборот U_вх<U_цап, то компаратор заставляет РПП сбросить логическую «1» в старшем разряде. Значение старшего разряда РПП в зависимости от результата сравнения фиксируется по фронту следующего тактового импульса. Одновременно (по фронту того же тактового импульса) логическая единица появится на следующем по старшинству (n-2)-ом разряде ЦАП. В зависимости от результата сравнения напряжений U_вх и U_цап компаратором по фронту следующего тактового импульса фиксируется значение разряда (n-2), а логическая «1» появляется на входе (n-3) разряда ЦАП. Затем вновь повторится описанный выше алгоритм работы блоков АЦП и так далее до 0-ого разаряда. После n тактов сравнения (по прошествии n тактовых импульсов генератора G от момента начала импульса запуска) на входе ЦАП получается n-разрядный двоичный код, который является цифровым эквивалентом входного аналогового сигнала.

8.3 Времяимпульсные АЦП

Недостатком всех АЦП (за исключением АЦП на основе ПНЧ по сути являющихся интеграторами входного сигнала) является их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность, как правило, на уровне 8…10 разрядов. От этого недостатка свободны АЦП интегрирующего типа, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного сигнала за фиксированный интервал времени.

8.3.1 АЦП однотактного интегрирования

На рисунке 8.6,а) представлена схема АЦП с промежуточным преобразованием входного сигнала (напряжения) в пропорциональный ему временной интервал t_и который затем заполняется счетными импульсами эталонной частоты f_сч. Число импульсов, попавших в измерительный интервал Т_x, фиксируется счетчиком и выдается как цифровой эквивалент преобразуемого сигнала (рисунок 8.6 б). При этом соотношение между кодом и входным сигналом имеет следующий вид:

,

где a - скорость изменения напряжения генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) (a = d u_глин /d t).

АЦП рассмотренного типа широко использовались в 40-х и 50-х годах, но в настоящее время применяются редко (в основном в некоторых микроконтроллерах), т.к. по быстродействию они значительно хуже всех остальных.

8.3.2 АЦП двухтактного интегрирования

Одним из наиболее распространенных вариантов такого преобразователя является АЦП двухтактного интегрирования (рисунок 8.7, а). Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом импульс запуска, воздействуя на триггер Т1, открывает ключ Кл1, после чего преобразуемый сигнал u_вх подается на вход интегратора. На один вход компаратора К подается выходное напряжение интегратора U_инт, на другой – нулевое напряжение. Так как в начальный момент времени t₁ (рисунок 8.7, б) напряжение интегратора равно нулю, компаратор срабатывает и перебрасывает триггер Т3 в состояние «1», в результате чего открывается элемент И и импульсы генератора G начинают поступать на счетчик Сч. Интегрирование напряжения u_вх производится за фиксированный интервал времени

Выходное напряжение интегратора на интервале времени [ t₁, t₂ ] изменяется по закону

Конец интервала Т фиксируется счетчиком, который в момент времени t₂ выдает импульс переполнения, поступающий на триггеры T1 и Т2. При этом ключ Кл1 закрывается, ключ Кл2 открывается и начинается второй такт работы преобразователя. На вход интегратора теперь поступает опорное напряжение U_оп имеющее обратную полярность по отношению к u_вх. Начиная с момента времени t₂ счетчик вновь заполняется импульсами с генератора импульсов G, а напряжение на выходе интегратора (см. рисунок 8.7, б) уменьшается по закону

причем в момент времени t₃ U_инт становится равным нулю. Компаратор возвращается в исходное положение и по инверсному выходу перебрасывает триггеры Т2 и T3 в нулевое состояние. При этом напряжение U_oп отключается от входа интегратора, а сигнал с выхода Т3 запрещает подачу импульсов генератора G на счетчик. В результате в счетчике фиксируется числовой код

где T_x=t₃ – t₂.

С учетом этих выражений получаем U_вхT = U_опТ_x где (U_вх — среднее значение входного сигнала u_вx(t) на интервале времени [t₁, t₂]. После подстановок находим

т. е. выходной код АЦП пропорционален входному напряжению (его среднему значению).

Интегрирование входного сигнала в рассмотренном АЦП приводит к его усреднению и сглаживанию (ослаблению) всех быстрых по сравнению с временем интегрирования Т помех, наводок и шумов.

Использование двухтактного интегрирования позволяет компенсировать ряд составляющих статической погрешности, вызванных нестабильностью порога срабатывания компаратора, постоянной времени интегратора, тактовой частоты. В АЦП двойного интегрирования высокую стабильность должен иметь только разрядный ток (или источник опорного напряжения при формировании разрядного тока с помощью резистора как показано на рисунке. 8.7).

В самых точных преобразователях циклу преобразования предшествует цикл «автокоррекции нуля», во время которого на вход преобразователя подается нулевой сигнал. Т. к. в циклах измерения и автокоррекции используются одни и те же интегратор и компаратор, то вычитая результат, полученный в цикле «автокоррекции», из последующего результата измерения, получают эффективное снижение погрешностей на начальном участке шкалы преобразования.

Быстродействие данного АЦП невелико, при заданном числе разрядов оно определяется частотой счетных импульсов f_сч = 1/Dt_сч. Выбор последней ограничивается в основном временем включения компаратора.

8.4 Параллельные АЦП

Принцип работы АЦП параллельного действия (или как их еще называют АЦП считывания) основан на одновременном сравнении входного сигнала с 2ⁿ - 1 эталонами, соответствующими n-разрядному двоичному коду, и кодировании результатов этого сравнения. Пример такого преобразователя (для n=3) показан на рисунке 8.8. В этом преобразователе 2ⁿ – 1=7 опорных напряжений формируются с помощью резистивного делителя. Каждое из опорных напряжений подается вместе с u_вх на соответствующий компаратор. Срабатывают лишь те компараторы, у которых u_вх > u_оп(i). При этом на выходах компараторов получится унитарный код. Так, например (см. рисунок 8.8) если входное напряжение u_вх не выходит за пределы диапазона от 2,5DU до 3,5DU (DU – шаг квантования), то компараторы с 1-го по 3-ий устанавливаются в единичное состояние, а компараторы с 4-го по 7-ой – в нулевое. Унитарный код с выходов компараторов подается на фиксирующие триггеры Т₁ … Т₇ с тем, чтобы избежать появления ошибки неоднозначности считывания. С выходов триггеров Т₁ … Т₇ унитарный код подается на кодопреобразователь (приоритетный шифратор), преобразующий его в параллельный двоичный код.

При быстро изменяющемся входном аналоговом сигнале, параллельному АЦП присуща неоднозначность считывания (апертурная погрешность). Решить эту проблему можно, например, предотвратив с помощью схемы выборки-хранения изменение входного напряжения в течение времени измерения. Однако при этом способе ограничивается допустимая частота входного напряжения, так как для установки схемы выборки-хранения необходимо время. Кроме того, вероятность изменения выходных состояний компараторов полностью не исключается, поскольку быстрые схемы выборки-хранения обладают заметным дрейфом.

Этот недостаток можно устранить, если, как показано на рис. 3.28, после каждого компаратора в качестве промежуточной памяти ввести схему запоминания унитарного кода с линейки компараторов – срабатывающие по фронту D-триггеры. В этом случае в цикле преобразования обеспечивается сохранение стационарного состояния на выходе приоритетного шифратора после действия фронта импульса, запускающего триггер.

Как следует из нижеприведенной таблицы, при возрастании u_вх компараторы устанавливаются в состояние «1» по очереди – снизу вверх. Аналогично, при убывании u_вх компараторы устанавливаются в состояние «0» в последовательности сверху вниз (см. рисунок 8.8). Такая очередность не гарантируется при крутых фронтах входного напряжения, так как в этом случае преобладающим фактором становятся времена задержки компараторов, из-за различия в которых они могут переключаться в другом порядке. Это переходное состояние при определенных обстоятельствах может быть записано в триггерах, а именно тогда, когда фронт импульса, запускающего триггеры, и фронт сигнала совпадают. Приоритетное кодирование, однако, позволяет уменьшить вредное влияние этого фактора благодаря тому, что значения младших разрядов, не принимаются во внимание (принимается во внимание лишь номер самого старшего сработавшего компаратора см. таблицу состояний приоритетного шифратора).

Время выборки должно быть меньше времени задержки компаратора, а ее начало определяется фронтом запускающего импульса. Различие во временах задержки обусловливает временную неопределенность (апертуру) результата при оцифровке быстро меняющихся сигналов. Чтобы снизить ее величину, целесообразно применить компараторы с возможно меньшим временем задержки.

Благодаря параллельной работе каскадов описанный способ АЦ-преобразования самый быстрый. При использовании ЭСЛ-схем можно обрабатывать сигналы с частотой до 50 МГц.

Параллельные АЦП нашли широкое распространение из-за того, что они в принципе обладают самым высоким быстродействием из всех видов АЦП. Оно определяется быстродействием компараторов и задержками в кодирующем устройстве. При каждом преобразовании последовательно выполняются три операции: срабатывание схем сравнения, срабатывание триггеров и преобразование унитарного кода в параллельный двоичный код. Существенным недостатком параллельных АЦП является необходимость в большом количестве компараторов. Так, для 8-разрядного АЦП требуется 255 компараторов. Это затрудняет реализацию многоразрядных (свыше 6…8) АЦП в интегральном исполнении. Кроме того, точность преобразования ограничивается точностью и стабильностью компараторов и резистивного делителя. На основе этого способа строят наиболее быстродействующие АЦП с временем преобразования в пределах десятков и даже единиц наносекунд, но ограниченной разрядности (не более 6 разрядов).

9 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Среди измерительных приборов особое место занимают цифровые вольтметры, обеспечивающие автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию погрешностей; высокую точность измерения (0,01 - 0,001)% при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В); документальную регистрацию с помощью цифропечатающих устройств; ввод измерительной информации в компьютер и сложные информационно-измерительные системы.

В зависимости от количества и вида измеряемых величин можно выделить четыре основные группы серийных приборов:

ЦВ для измерения только напряжения постоянного тока U;

универсальные приборы (мультиметры), которые кроме напряжения постоянного тока U позволяют измерять в каком-либо сочетанни следующие величины: среднее по модулю значение синусоидального напряжения (U_CP); среднее квадратическое значение периодического напряжения (U_CP.KB); сопротивление постоянному току (R); емкость (С); постоянный (I) и переменный (I_CP или I_СР.KB) токи; отношение двух напряжений или двух токов. Входные преобразователи перечисленных величин в напряжение постоянного тока U иногда конструктивно выполняются в виде сменных блоков;

приборы для измерения только U_CP или только U_CP.KB и т. д. Они содержат соответствующий входной преобразователь измеряемой величины в напряжение постоянного тока U. Сюда же относятся приборы для измерения какой-либо неэлектрической величины, преобразуемой в U (например, температуры);

импульсные ЦВ. Они содержат входной преобразователь амплитудного значения импульсного напряжения в напряжение постоянного тока U.

Дата добавления: 2014-01-07