Меню

Опорное напряжение ацп что это такое



Принцип работы АЦП, сигма дельта АЦП

Что такое АЦП? Это аналого-цифровой преобразователь. Цель такого устройства преобразовать изменение электрических характеристик в цифровой сигнал. Проще говоря, именно благодаря АЦП, появилась возможность преобразовать физическую величину в математический двоичный код

Общая информация об устройстве

Принцип работы АЦП связан с постоянным изменением физических величин электрического тока. АЦП сравнивает базовое значение с отклонением и в ближайшем приближении переводит такое отклонение в двоичный код. Чаще всего работа АЦП связана с изменением напряжения. Это объясняется тем, что из прочих физических величин именно напряжение легко отследить с помощью вольтметра и изменить с помощью трансформатора.

Устройства характеризуются частотой изменения и разрядностью. Разрядность указывает на максимальный размер числа, которое в двоичный код может преобразовать аналоговое устройство. Частота изменений показывает сколько времени потребуется преобразователю для замера. Чем больше разрядность и скорость преобразования, тем дороже и сложнее прибор.

Излишнее усложнение прибора в свою очередь ведет к трудности эксплуатации и общему понижению надежности сети. Поэтому зачастую в целях повышения разрядности можно пожертвовать скоростью и наоборот.

Виды АЦП

Современность диктует необходимость использования самых разных модификаций аналого-цифрового преобразователя. Однако, в основе всех устройств лежит три схемы базовых вариаций аппарата:

  • С параллельным преобразованием
  • С последовательным приближением
  • С балансировкой заряда или дельта-сигма АЦП

АЦП прямого преобразования

Такие устройства имеют разрядность 6-8 бит. Одиночное использование АЦП прямого назначения большая редкость. Куда чаще встречаются в составе более сложных приборов.

Отдельно отметим, что такие преобразователи могут переводить сигнал не только в двоичную систему. Язык числа, который должен получится на выходе, определяется по опорному напряжению. Чаще всего используется половина от заводского значения опорного напряжения, что соответствует двоичному коду числа.

Входной сигнал поступает на плюсовые входы устройства. На минусовой вход в обязательном порядке подается постоянное напряжение. Напряжение плюсового входа постоянно сравнивается с минусовым входом. Любые расхождения выводятся в виде числа.

Большим преимуществом такого вида АЦП является конструкторская предрасположенность к созданию высокоскоростных сетей. Это значит, что само по себе АЦП не может похвалится скоростью, но при правильном расчете можно создать систему, которая позволит

Структурная схема АЦП прямого преобразования
Структурная схема АЦП прямого преобразования

Основа всего устройства АЦП: компараторы. Они обозначены треугольником на схеме. Можно увидеть, что в один компаратор заходит минусовое и плюсовое напряжение. В устройстве происходит сравнение. Плюсовое отклонение соответствует значению 1, минусовое значению 0. Шифратор из столбца единиц и нулей выводит число.

В итоге получается, что скорость действия устройства зависит только от скорости действия компоратора. Но для того, чтобы вывести 24 битный сигнал потребуется более 16 миллионов компараторов, что невозможно чисто технически. Поэтому устройство и не является самым быстродействующим из АЦП.

АЦП последовательного приближения

Про АЦП последовательного приближения написано множество заумных статей. Но, если объяснять на пальцах, то АЦП последовательного приближения работает на основе принципа вилки. Так выглядит схема работы АЦП:

  1. Напряжение сигнала сравнивается с половиной напряжения базового сигнала. Это напряжение может быть больше или меньше.
  2. Если напряжение меньше, то его сравнивают с ¼ базового сигнала.
  3. Если значение больше, то оно сравнивается с ¾.

На каждом этапе сравнения, точка подаваемого сигнала попадает выше или ниже заданной базы. Если попадание происходит ниже, то сигнал сравнивают с половиной нижнего отрезки. Если попадание происходит выше – с половиной верхнего.

Так, чем больше сравнений, тем большей точности число мы получаем. Считается, что число сравнений равняется битам конечного результата

Структурная схема АЦП последовательного приближения.
Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Дельта-сигма АЦП

Дельта – сигма считается наиболее быстро действенным типом АЦП с наибольшим из существующих разрядом для одного устройство. Разрядность АЦП дельта-сигма может достигать 25 бит.

Структурная схема сигма-дельта АЦП.
Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип работы дельта-сигма АЦП основан на интеграторе. Он накапливает или, проще говоря, запоминает выходное напряжение. Как видно на схеме, входное напряжение после прохождение шифратора отправляется в суммирующий модуль. Там напряжения складываются. При приближении суммирующего значения к 0, модуль выдает единицу и наоборот.

Предположим, что в суммирующем блоке получилось значение близкое к нулю. Тогда следующее значение может снова бросить точку в ноль, а может наоборот отдалить ее от нуля. Имеется в виду точка на графике зависимости напряжения от времени. То есть в устройстве равновероятны возникновение как нуля, так и единицы. Все зависит только от величины входного напряжения.

Читайте также:  Pcs 515 преобразователь напряжения

Помимо всего прочего, системы АЦП дельта-сигма позволяют отсекать выбивающиеся из общей картины отклонения. Прибор накапливает статистику замеров, автоматически выдавая усредненное значение. Это делает выходной шифр АЦП более точным. Кстати, на схеме представлена одноконтурная АЦП, хотя в современности чаще встречаются двухконтурные модули, которые значительно точнее. Вот как работает АЦП.

Немного истории

Самые старые АЦП являются одновременно и самыми первыми в нашей классификации. Это устройство с прямым преобразованием сигнала. В

Первый патент на АЦП
Первый патент на АЦП

Наиболее мощный в истории АЦП прямого преобразования сигнала был разработан в 1975 году компанией Computer Labs. Это стоваттная машина, которая предоставляла преобразование системы в пределах 6 бит при скорости 30 MSPS

АЦП прямого преобразования (1975 г.)
АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Кстати, MSPS это единица измерения скорости передачи сигнала в информатике. Расшифровка звучит как миллион сигналов в секунду.

Позднее было признано нецелесообразным изготовление мощных преобразователей прямого сигнала. За мощностью гонятся в основном производители дельта-сигма преобразователей. Принцип работы первых АЦП позволяет создавать достаточно надежные машины с возможностью совмещения нескольких элементов АЦП для усиления мощности без понижения надежности системы.

Поэтому можно считать, что каждое устройство из перечисленных здесь используется в том или ином виде в современном мире. Однако, есть и такие подвиды АЦП, которые к настоящему моменту из употребления вышли. Наиболее ярким примером являются интегральные АЦП.

АЦП – это достаточно сложные устройства, которые можно считать началом эпохи персональных компьютеров. При этом шифрование электросигнала не устаревшая технология, а вполне себе современный аппарат, который используется повсеместно, например, в телевидении.

Источник

Аналого-цифровое преобразование для начинающих

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

«

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой 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. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

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.

Основные характеристики 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.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения ecm powercom

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.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.

Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Читайте также:  Расчет потерь предварительного напряжения арматуры

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Немного истории

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. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. 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. 10. 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).

Источник