Содержание
Введение…………………………………………………………………..........3
1. Основные характеристики АЦП и типы АЦП……………………………...6
1.1 Квантование и дискретизация АЦП …………………………………..…...8
1.2 Типы АЦП……………………………...…………………………………....9
1.3 Выбор типа АЦП, принцип его работы на уровне алгоритма и
структурно-функциональный схемы ………………………………………...17
Заключение……………………………………………………………….......25
Список литературы…………………………………………………….........26
Введение
Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования
входной физической величины в ее числовое представление. Аналогоцифровой
преобразователь
–
устройство,
выполняющее
такое
преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая
физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота
следования импульсов, угол поворота вала и т.п.
Понятие
аналого-цифрового
преобразования
тесно
связано
с
понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения
измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом
преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой
опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом,
аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение
значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии,
такие, как погрешности измерения.
Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно,
патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527,
Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте
устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.
Рис. 1. Первый патент на АЦП
Рис. 2. АЦП прямого преобразования (1975 г.)
Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП
прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года
выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16
штук (они расположены полукругом для того, чтобы уравнять задержку
распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП
имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS,
потребляемая мощность 14 ватт.
На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП
прямого преобразования.
Рис. 3. АЦП прямого преобразования (1970 г.)
Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer
Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость
30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость
75 MSPS и потребление 130 ватт).
1. Основные характеристики АЦП и типы АЦП
АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно
назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования
обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS),
разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24
бит
и
скорость
преобразования
до
единиц
GSPS
(конечно,
не
одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить
требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь.
Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом
определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность
преобразования, пожертвовав скоростью.
Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи
мы
ограничимся
рассмотрением
только
следующих
типов:
АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash
ADC)
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)
Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и
комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае)
различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП
являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура
занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.
Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью
обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП
параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает
быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа
могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что
еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined
ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим
быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.
Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП
последовательного
приближения.
Типичными
значениями
является
разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.
Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие
разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц
KSPS.
Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем
прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в
настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП,
но могут встретиться в старых измерительных приборах.
1.1 Квантование и дискретизация АЦП
Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП
он
преобразуется
в
последовательность
цифровых
значений.
Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых
значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся
цифровые значения – частота дискретизации.
Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке (значения
сигнала измеряются через интервал времени ∆Т – период дискретизации).
Точность восстановления ограничена ошибкой квантования, однако в
соответствии с теоремой Котельникова точное восстановление возможно
только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная
частота в спектре сигнала.
Таким
образом,
понятие оцифровка сигнала
включает
в
себя
понятия дискретизации и квантования.
Дискретизация- измерения,
проведенные
в
определенные
промежутки времени.
Рис. 4. Дискретизация сигнала
f дискретизации>>>fm (первой гармоники входного сигнала)
f дискретизации ≥ 2fm (по Котельникову)
∆Т (время между отсчетами) выбирается: а) в зависимости от цели; б)
в зависимости от желаемого качества сигнала на выходе.
Например, частота дискретизации 44 кГц (музыкальный диск) –
соответствуют стандартному качеству звука. Дискретизация предполагает
выбор отсчетов, следовательно будем использовать логический элемент
«И», реализующий операцию умножения. Генератор импульсов (тактовых
сигналов, «клоков») воспроизводит сигнал, приближающийся к виду
дельта-функции:
Главный недостаток таких импульсов – их нестабильность. Для того
чтобы увеличить объем информации о реальном сигнале, полученном после
оцифровки, необходимо уменьшить шаг дискретизации. Квантование по
уровню фактически означает присвоить отсчету цифровой эквивалент или
выразить результат в цифрах. Шаг квантования может представлять собой
мм, см, м и т.д., при этом ошибка может изменяться в пределах от -0,5 кванта
до +0,5 кванта. ∆Q – погрешность (шаг квантования). Ошибка квантования
(Шум квантования), является следствием ограниченного разрешения АЦП,
составляет {+ ∆Q/2;-∆Q/2}. Из вышесказанного следует, что закон
распределения- равномерный (рис. (12)). В зависимости от типа аналогоцифрового преобразования шум квантования может возникать из-за
округления
(до
определённого
разряда)
сигнала
(отбрасывания младших разрядов) сигнала
Рис. 5. Равномерный закон распределения
или
усечения
1.2 Типы АЦП
Выделяют 4 основных типа АЦП:
– АЦП параллельного преобразования (флеш)
– АЦП последовательного преобразования
– Сигма-дельта АЦП
– АЦП двойного интегрирования
АЦП параллельного преобразования
Данный тип АЦП содержит по одному компаратору на каждый
дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только
компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала,
выдадут на своем выходе сигнал превышения. Сигналы со всех
компараторов поступают на логическую схему, которая выдает цифровой
код, зависящий от того, сколько компараторов показали превышение. Эти
АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256
компараторов), так как имеют большую и дорогую схему. АЦП этого типа
имеют
очень
большой
размер
кристалла микросхемы,
высокую
входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе.
Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов.
Компаратор и его характеристика представлены на рис. 6.
Рис. 6. Компаратор и его характеристика
U порог.i в компараторах разный.
Схема АЦП параллельного преобразования:
.
Рис. 7. Схема АЦП параллельного преобразования
Из схемы (рис.7): 111 на выходах ОУ дают Uоп=7 В.
∆Q=Uоп/2^n=7/8=0,875
Разрешение АЦП: 2^n * 0,875.
Достоинства данного АЦП:
– каждый компаратор имеет свой порог (Uпорог.);
– высокое быстродействие.
Недостатки:
– необходимо много компараторов;
– высокая стоимость АЦП.
АЦП последовательного счета
Этот
преобразователь
является
типичным
примером
последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит
из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 8). На один вход компаратора
поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.
Рис. 8. Структурная схема АЦП последовательного счёта
Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска,
который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих
от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается
на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной
связи Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока
напряжение обратной связи не сравняется со входным напряжением и
переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит
поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора
из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код,
пропорциональный
входному
напряжению в
момент
окончания
преобразования, считывается с выхода счетчика. Время преобразования
АЦП этого типа является переменным и определяется входным
напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному
входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте
тактовых импульсов fтакт равно:
tпр.макс=(2N-1)/ fтакт.
Например, при N=10 и fтакт=1 МГц tпр.макс= 1024 мкс, что
обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц. Статическая
погрешность преобразования
определяется
суммарной
статической
погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных
импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных
процессов в них. При работе без устройства выборки-хранения апертурное
время совпадает с временем преобразования. Как следствие, результат
преобразования чрезвычайно сильно зависит от пульсаций входного
напряжения. При наличии высокочастотных пульсаций среднее значение
выходного кода нелинейно зависит от среднего значения входного
напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборкихранения
пригодны
изменяющимися
для
работы
напряжениями,
с
постоянными
которые
за
или
медленно
время преобразования
изменяются не более, чем на значение кванта преобразования.
Таким
образом, особенностью АЦП
последовательного
счета
является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких
килогерц.
Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота
построения, определяемая последовательным характером выполнения
процесса преобразования.
АЦП двойного интегрирования
АЦП двойного интегрирования использует интегратор, за которым
следует компаратор и счетная логика.
Сначала вход интегратора подключается к входному сигналу, и
емкость интегратора заряжается до уровня входного напряжения в той
же полярности.
После
определенного
числа тактов,
вход
интегратора переключается к источнику опорного напряжения, и емкость
интегратора разряжается до величины этого напряжения. В тот момент,
когда ключ замыкается на VREF1 (VREF - Voltage Reference – эталонное
напряжение
для
АЦП
или
компаратора), счетчик отсчитывает
напряжение
столько
же
сравнения
тактов,
для
сколько
занимало время первоначального интегрирования.
Когда напряжение на выходе интегратора падает ниже величины
второго
опорного
состояние высокого
напряжения, выход
логического
компаратора переходит
уровня, счетчик
останавливается,
в
а
значение счетчика соответствует величине входного напряжения.
Рис. 8. АЦП двойного интегрирования
Более высокое входное напряжение позволяет емкости интегратора
зарядиться до большей величины в течение времени первоначального
интегрирования, что приводит к большему времени разряда до VREF2, и
к большему выходному значению счетчика.
Меньшее значение
напряжения
на
входе
приводит
к меньшему потенциалу на емкости интегратора, и, соответственно,
к меньшему выходному
числу.
Более простой интегрирующий
АЦП
с одинарным интегрированием, инициирует счетчик во время зарядки
емкости,
и
останавливает
напряжение (вместо
заряда
за
счет,
когда
определенное
достигнуто опорное
время).
Однако
на
преобразователь с одинарным интегрированием влияют погрешности
тактовой частоты.
Схема с двойным интегрированием устраняет проблемы точности
синхронизации, так как один и тот же генератор тактовых импульсов
применяется для задания времени зарядки емкости и для приращения
(инкремента) содержимого счетчика.
Надо отметить, что кратковременное изменение – дрожание (в
научной
литературе
называется джиттер)
длительности
тактовых
импульсов и дрейф в течение одного преобразования будут влиять на
точность результата. Преобразователь с двойным интегрированием тратит
относительно длительное время на выполнение преобразования, зато
присущая интегратору фильтрация устраняет шум.
Сигма- Дельта АЦП
Сигма-Дельта
АЦП
(называемые
также
Дельта-Сигма
АЦП)
производят аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации во
много раз, превышающей требуемую и путем фильтрации оставляет в
сигнале только нужную спектральную полосу. Это один из самых важных
типов АЦП. Они эффективны в тех задачах, где не требуются большие
частоты дискретизации, но необходимо высокое разрешение сигнала.
В современных сигма-дельта АЦП преобразование осуществляется с
избыточной дискретизацией (передискретизацией), цифровой фильтрацией
и децимацией преобразуемого сигнала. Децимация – уменьшение частоты
дискретизации дискретного во времени сигнала путем удаления его
отсчетов. Частота дискретизации (или частота семплирования) –частота
взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в
частности, аналого-цифровым преобразователем). Измеряется в Герцах.
Своим названием эти преобразователи обязаны наличием в них двух
блоков: сумматора (обозначение операции – S) и интегратора (обозначение
операции – D). Один из принципов, заложенных в такого рода
преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую
шумами, а следовательно, увеличить разрешающую способность – это
усреднение результатов измерения на большом интервале времени. (Kfд, fд,
±Uос)
Рис. 9. Сигма-Дельта АЦП
На рисунке компаратор ЗАМЕНИТЬ на АЦП!
DSP – дециматор
Основные узлы АЦП – это сигма-дельта модулятор и цифровой
фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка
приведена на рис. 14. Работа этой схемы основана на вычитании из входного
сигнала Uвх(t) величины
сигнала
на
выходе
ЦАП,
полученной
на
предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а
затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности.
Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.
Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и
сумматоров
в
его
схеме.
содержат N сумматоров
Сигма-дельта
и N интеграторов
и
модуляторы N-го
порядка
обеспечивают
большее
соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы
первого порядка.
Сравнивая,
Сигма-дельта
АЦП
с
АЦП
много
тактного
интегрирования, можно сделать вывод о достоинствах первого:
– линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП
выше, чем у АЦП много тактного интегрирования равной стоимости
– высокая точность;
– хорошее разрешение;
– относительно малая стоимость
– абсолютная помехозащищенность
– сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что
существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате
– ёмкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно
меньше (десятки пикофарад), так что этот конденсатор может быть
изготовлен прямо на кристалле ИМС (интегральной микросхемы).
Недостатки: узкая полоса пропускания (подходит для «медленных»
сигналов)
1.3 Выбор типа АЦП, принцип его работы на уровне алгоритма и
структурно-функциональный схемы
Рассмотрим принцип работы Сигма-дельта АЦП.
Пусть опорное напряжение равно 3В, а на входе сигма-дельта АЦП
будет 2В: U0 = 2В, Uоп = 3В.
Рис. 10. Схема Сигма-Дельта АЦП
Схема будет менять свое состояние в соответствии с импульсами
тактового сигнала на входе C триггера. Поэтому нам нужно разбить
временную шкалу на части, которые равны периоду этого сигнала и
определить, какие будут значения напряжений в разных точных схемы на
разных интервалах.
Интервал 1.
Пусть в начальный момент времени в точке 4: 1. Это зависит от того,
каким было состояние схемы на предыдущем шаге, поэтому можем
принять любое значение в качестве начального.
Значит на выходе ключа: U5 = −3В.
Возвращаемся ко входу, на который по условию у нас поступило
значение: U0 = 2В.
В точке 1 будет: U1 = 2 − 3 = −1В.
В течении интервала 1 (также будет и для других интервалов) на входе
интегратора постоянное напряжение. А значит на выходе интегратора будет
«пила», наклон которой определяется величиной входного сигнала. В
данном случае на входе U1 = −1В, значит напряжение на выходе
интегратора изменится на −1В за этот промежуток времени:
Рис. 10. График на интервале 1
И в результате, имеем: U2 = −1В.
Второй вход компаратора подключен к земле (0В), значит на его
выходе будет 0, если U2 < 0. Так и происходит - точка 3: 0.
По спаду импульса тактового сигнала эта величина попадает на выход
триггера - точка 4: 0.
И далее этот бит «0» идет на цифровой фильтр и в цепь обратной
связи. Фильтр пока не трогаем, а вот ключ в данном случае изменит
свое состояние, и мы получим: U5 = 3В.
Итак, мы разобрали в деталях работу всей схемы сигма-дельта
модулятора на первом интервале.
Интервал 2.
На входе у нас все еще: U0 = 2В.
Но на второй вход сумматора теперь поступает 3В, что дает на входе
интегратора: U1 = 5В.
С работой интегратора мы уже разобрались, так что определяем
уровень на его выходе: U2 = 4В:
Рис. 10. График на интервале 2
Продолжаем, как и для интервала 1 - точка 3: 1, точка 4: 1, U5 = −3В.
Вот и второй интервал разобран. Составим таблицу и графики для этих
и некоторого количества последующих отрезков:
Здесь начиная с 7-го шага идет повторение всех процессов, поэтому мы
легко можем продолжить ряд выходных значений. Для 15-ти интервалов
получим:
А если бы на вход приходил 1В, то результат был бы такой:
В результате также имеем последовательность битов:
Но это не совсем то, что нам требуется, поэтому в схеме присутствует
еще и двоичный счетчик.
Счетчик подсчитывает количество единиц в подаваемой на его вход
последовательности битов. При этом для 4-х разрядного счетчика
максимальное количество подсчитанных единиц равно 15-ти. Потому что 15
единиц – это код 1111 (все четыре разряда = 1), после этого счетчик
переполняется.
Давайте составим таблицу с полученными результатами для
рассмотренных значений входного напряжения. При этом нас интересует
период, равный 15-ти интервалам:
Вот такой результат дает наша схема АЦП. Теперь можем проверить
полученный на выходе цифровой код. Для 2В на входе на выходе счетчика
мы получили код – 1100 (12 в десятичной системе счисления). При этом мы
точно знаем, что при напряжении 3В на входе (равно опорному
напряжению) на выходе модулятора у нас будут одни единицы. А на выходе
счетчика мы получим «максимум», то есть код 1111 (15 единиц). А если на
входе −3В, то на выходе модулятора сплошные нули, значит на выходе
счетчика – 0000 (0). Опираясь на эти точки - (3, 15) и (−3, 0) - мы можем
вывести формулу для расчета аналогового напряжения из цифрового кода:
U = (выход счетчика) / 15 * (3 + 3) − 3 = (выход счетчика) / 15 * 6 − 3
А теперь возьмем полученный нами код с выхода счетчика (1101) и
рассчитаем для него аналоговое значение напряжения: U = 12 / 15 * 6 − 3
= 1.8В. Для второго полученного значения (1010): U = 10 / 15 * 6 − 3 = 1В
Здесь мы не попали точно в значение 2В из-за того, что накопили
значения всего лишь для 15-ти интервалов. Поэтому шаг между соседними
значениями напряжений достаточно велик. Например, для выходного
кода 1101 (13), получаем значение U = 2.2В. То есть соседние значения
равны 1.8В и 2.2В, и разность между ними значительна.
Заключение
Цифровые устройства с АЦП являются важной частью современной
технологии. Они позволяют преобразовывать аналоговые сигналы в
цифровой формат, что позволяет обрабатывать их с помощью компьютеров
и других цифровых устройств. Это открывает широкие возможности для
различных приложений, включая измерения, контроль и автоматизацию
процессов. Благодаря своей точности и надежности, цифровые устройства с
АЦП становятся все более популярными и широко используются в
различных отраслях.
В ходе данной работы принципиальная схема аналого-цифрового
преобразователя. Были рассмотрены различные виды построения АЦП.
В итоге я пришел к выводу, что АЦП являются устройствами, которые
принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие
им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и
другими цифровыми устройствами.
Список используемой литературы
1. Балакай В.Г Интегральные схемы аналого-цифровых преобразователей
/Балакай В.Г,Крюк И.П.,Лукьянов Л.М.; Под ред.Лукьянова Л.М. .-М:
Энергия, 2008 .-257с.: Ил. .-Библиогрс.251-256.
2. Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев
И.Н. ,Горячев В.И.,Мансуров Б.М. .-3-е изд., перераб. и доп. .-М. : Радио и
связь, 2009 .-416с.
3. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационноизмерительных систем /Гельман М.М. .-М.: Изд-во стандартов, 2009 .-317с.
4. Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах
/Бирюков С.А. .-М.: Радио и связь, 2007 .-129с.: ил. .-(Массовая
радиобиблиотека;Вып.1132).
