Главная » Книги и журналы

1 ... 28 29 30 31 32 33 34 ... 38

ратор напряжения Al выдает в РПП команду оставить лог. 1 в первом разряде запоминающего регистра и подать лог. 1 Ьо второй разряд ЦАП. Если после этого вновь /вх>/ц, то А1 выдает в РПП команду оставить лог. 1 во втором разряде запоминающего регистра ЦАП и подать лог. 1 на третий разряд. Если же hx<.L, то компаратор Л/ выдает в РПП команду установить во втором разряде лог. О и в третий разряд ЦАП подать лог. I. Затем вновь повторяется описанный выше алгоритм работы блоков АЦП и так далее до 7V-ro разряда ЦАП. Работа АЦП синхронизируется тактовым генератором. После тактов сравнения /вх с /ц на выходе запоминающего регистра и на входе ЦАП получается Л^-разрядный двоичный код, который является цифровым эквивалентом входного аналогового сигнала. Таким образом, время преобразования такого-АЦП равно NTk, т. е. значительно меньше, чем для рассмотренных АЦП с ЦАП в цепи ОС. Однако при использовании одинаковых компонентов АЦП последовательного приближения, как правило, уступает рассмотренным в § 11.3 по значению дифференциальной нелинейности.

Особенность работы АЦП последовательного приближения состоит в том, что в каждом из тактов должно отводиться примерно одинаковое время на завершение всех переходных, процессов. Только в этом случае будет достигнута точность, соответствующая разрядам. Наибольшее время, как правило, требуется на полное установление напряжения на входе компаратора А1 (выходе ЦАП). Выходной ток ЦАП должен установиться в каждом такте с точностью не хуже 1итах/2~* Поскольку в младших разрядах ЦАП амплитуда подаваемых на выход ЦАП токов значительно больше, чем в старших разрядах, то и требуемое время установления /ц в первых тактах преобразования значительно больше. Эту особенность работы АЦП последовательного приближения часто используют для дополнительного увеличения их быстродействия посредством постепенного уменьшения длительности Т„ при переходе цикла преобразования от младших разрядов к старшим.

На базе этого метода могут быть построены АЦП с погрешностью до 0,005%. Например, в [65] в основу построения АЦП такой точности для вычислений с плавающей запятой было положено адаптивное усиление преобразуемого сигнала. Важнейшим составным узлом всего преобразователя стал первый АЦП, преобразующий напряжение входного сигнала в код, соответствующий порядку его величины. В качестве второго важного узла для достижения такой точности использован программируемый усилитель, осуществляющий усиление входного сигнала на величину, определяемую этим АЦП. И наконец, третьим узлом является второй АЦП, преобразующий усиленный входной сигнал в код мантиссы.

11.5. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АЦП

Упрощенная структурная схема АЦП параллельного преобразования приведена на рис. 11.9. Основными элементами Л^-разряд-iioro АЦП являются 2 - 1 компараторов напряжения. На один из двух дифференциальных входов каждого компаратора подается индивидуальное опорное напряжение. Такое опорное напряжение для каждого компаратора формируется внутренним резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов равна [/on/S . На другие входы компараторов подается входной сигнал. По функционированию и структуре компараторы в АЦП параллельного преобразования аналогичны компараторам К597СА1 и К597СА2. В их входной каскад встроен триггер-защелка. На выходах компараторов устанавливаются уровни лог. О и лог. 1, соответствующие сигналам на входах в момент прихода фронта тактового сигнала. Длительность импульса опроса лежит в пределах 0,1...1 не. После- окончания импульса опроса с помощью триггера-защелки в каждом компараторе хранится мгновенное значение аналогового входного сигнала, представленное на выходах компараторов в виде (2* - 1)-разрядного цифрового слова. Дешифратор представляет это слово в виде двоичного Л'-разрядного кода и затем по команде дешифрированное слово записывается в выходной регистр. Поскольку каждая из 2 - 1 градаций аналогового входного сигнала преобразуется в цифровой сигнал отдельным компаратором, время преобразования в таком АЦП определяется временем переключения компаратора и задержкой дешифратора и, следовательно, сравнительно невелико. Однако высокое быстродействие достигается ценой значительных аппаратурных затрат и большой потребляемой мощности. Например, для 8-разрядного параллельного АЦП К1107ПВ2 требуется 255 компараторов, а всего около 3-10* активных элементов и потребляемая мощность около 3 Вт.

Ч

т

-1-йр

-2-йр I I

g -

Рис. 11.9. Структурная схема параллельного АЦП

11.6. ПАРАМЕТРЫ АЦП И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Параметры АЦП делятся на точностные, динамические и эксплуатационные. По сравнению с ЦАП (ем. § 9.3) точность АЦП характеризуют еще два дополнительных параметра: погрешность квантования и апертурная погрешность. Погрешность квантования - погрешность, вызванная значением шага квантования, определяемая как .0,5 единицы МЗР. Апертурная погрешность - неопределенность между значением входного сигнала в момент выборки и значением фактически преобразуемой величины (/вх-

К новым по сравнению с ЦАП динамическим параметрам следует отнести частоту дискретизации, время выборки и апертурное время. Частота дискретизации - максимальная частота выборок входного аналогового сигнала. Время выборки - максимальное время, которое затрачивает АЦП (обычно УВХ на входе АЦП) на получение нового значения t/вх. Апертурное время - время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки (Увх и моментом времени, к которому она относится.

Эксплуатационные параметры АЦП аналогичны параметрам ЦАП, за исключением диапазонов изменения входных и выходных сигналов.

При разработке АЦП на базе микросхем разработчик сразу сталкивается с проблемой выбора составных частей исходя из их параметров. Например, выбрав быстродействующий АЦП К1108ПВ1 с временем преобразования 1 мкс, трудно получить частоту преобразования 1 МГн. Объясняется это тем, что для полного использования возможностей БИС К1108ПВ1 необходимо на ее входе включить УВХ и, быть может, буферный усилитель. Таким образом, время преобразования всего модуля может возрасти до 2...3 мкс. Более того, многие важные для применения БИС параметры обычно не указываются, например температурные дрейфы второстепенных показателей погрещности АЦП, временная нестабильность точ ностных параметров, частота дискретизации и др. Часто в документации не приводится и такая важная характеристика, как минимальный временной интервал между преобразованиями, который характеризует время возвращения АЦП в исходное состояние. Этот временной интервал может оказаться не меньше времени преобразования и существенно уменьшит частоту дискретизации.

Таким образом, приводимые в технических условиях параметры АЦП являются только отправной точкой для применения БИС. Итог же правильности использования микросхемы в аппаратуре можно получить лишь в результате комплекса отработочных испытаний узла, содержащего АЦП в приборе. В этом случае необходимо неукоснительно выполнять ограничения, накладываемые на эксплуатационные параметры применяемой БИС. К таким ограничениям относятся выбираемый цифровой код, диапазон входных и выходных сигналов, длительности управляющих импульсов, длительности фронта и среза импульсов. Кроме того, необходимо следить за правильностью выбора напряжений источников питания и соблюдением требуемой последовательности их включения.

.Ряд факторов, связанныхгс применением АЦП в .приборе, может просто .быть непредсказуемым даже при знании всего набора возможных параметров АЦП. К таким факторам относятся помехи по .цепл питания, электромагнитное, .излучение и специальные.виды воздействия. Окончательно пригодность конкретной БИС АЦП для данных условий работы прибора может подтвердить, только испытание аппаратуры. Например, электромагнитное .излучение может привести к. потере одного или нескольких разрядов, особенно в прецизионных и . сверхбыстродействующих АЦП. Обеспечение помехозащищенности является одним из наиболее.:Трудных вопросов, не поддающихся, выработке единых конкретных рекомендаций на все случаи разработок, так как помехи обычно имеют случайны характер и возникают из разных источников. . . > .- : , , .

.. Наряду с электромагнитным излучением и случайными помехами на работу АЦП могут существенно!влиять помехи по цепям источников питания. Эти помехи вызывают переходные процессы в щинах питания, обусловленные переключением мощных потребителей энергии в системе. Несколько повысить помехоустойчивость АЦП в системе позволяет полное или частичное экранирование, использование отдельных экранированных щии питания, разделение общих щин входной и выходной цепей, аналоговой и цифровой частей прибора. Если источник входного сигнала и .АЦП имеют разные общие щины, то необходимо применять АЦП с дифференциальным усилителем на входе, допускающим воздействие .больших синфазных сигналов. При очень больших синфазных сигналах может потребоваться гальваническая развязка между датчиком аналогового сигнала и входом АЦП с помощью трансформаторной или оптической связи.

При проектировании АЦП.необходимо разделять его погрешности на две составные части: погрешности, вносимые электронными узлами, ..и погрешность квантования. Погрешность квантования задается разрядностью испол>)Зуемых БИС ЦАП или АЦП, и будет ли эта разрядность реализована, определяется правильностью выбора ие только точностных, но и динамических параметров вспомогательных функциональных узлов (источника опорного напряжения, УВХ, компаратора и др.). Правильный выбор компонентов АЦП затруднен различием параметров, описывающих качество компонентов. В гл. 1 показано, что решением проблемы проектирования АЦП является сведение характеристик качества всех входящих в них аналоговых и цифровых узлов к единым информационно-энергетическим параметрам. В. этом случае оптимальный выбор компонентов для АЦП с заданными параметрами можно осуществить по пропускной способности его узлов (ОУ, УВХ, ЦАП, цифровых регистров, компараторов и др.).

11.7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ АЦП

Особое место среди преобразователей аналоговых величин в цифровые занимают преобразователи параметров пространственного движения в код. К этой категории АЦП относятся преобразователи временного интервала в код, фазы или частоты в код, перел{ещения в код. Перечисленные типы преобразователей широко используются в работотехнике, радиолокации, радионавигации, программно-управляемых станках и т. д. Преобразователи пространственного

перемещения в код относят обычно к разряду специализированных, поскольку либо они могут быть построены на базе обычного преобразователя напряжение-код, либо они являются частью одного из вариантов преобразователя напряжение-код. Например, любой из перечисленных преобразователей может состоять из двух функциональных узлов. В качестве первого узла могут использоваться преобразователи частоты в напряжение или преобразователи временного интервала в напряжение, или фазы в напряжение (см. гл. 4). В качестве второго узла можно применить преобразователь напряжение-код. В то же время преобразователь временного интервала в код является частью рассмотренного в § 11.2 однотактного интегрирующего АЦП. Поскольку при любом промежуточном преобразовании ухудшается точность и снижается в целом быстродействие устройства, не говоря о дополнительных аппаратурных затратах, получили распространение специализированные АЦП указанных типов.

Преобразователь временного интервала в код является самым простым, так как может быть построен на одном компараторе и счетчике. В этом случае используется классический метод последовательного счета, при котором преобразуемый временной интервал заполняется импульсами постоянной частоты, поступающими от тактового генератора [1]. Существующие схемы преобразователей временного интервала в код обычно разбиваются на две категории: преобразователи сравнительно небольших по длительности периодически повторяющихся временных интервалов и преобразователи одиночных временных интервалов большой длительности-. Первый тип преобразователей сравнительно прост, поскольку по минимальной частоте повторяющихся входных импульсов можно синхронизировать работу всей схемы, включая устройства формирования импульсов пуска, сброса и перезаписи результатов преобразования. Второй тип преобразователей сложнее, поскольку за цикл преобразования структура не только должна выполнить основную функцию в режиме самосинхронизации и устранить погрешность исходной неопределенности поступления временного интервала, но и приготовиться к следующему циклу измерения, время начала которого не определено заранее.

Преобразователи фазы или частоты в код в качестве преобразуемой величины обычно используют разность между фазами двух сигналов. Самым распространенным методом преобразования в этом случае является сначала переход от фазы к временному интервалу, а затем преобразование времени в код. Переход от фазы к временному интервалу требует обычно одной микросхемы компаратора напряжения. При этом один сигнал является опорным напряжением, а второй входным напряжением. В предварительно усиленных входных сигналах точками отсчета являются обычно их точки перехода через нуль. Усиление входных сигналов позволяет уменьшить влияние помех на точность преобразования. Для устранения влияния помех иногда применяют метод двойного измерения, т. е. измерение выполняется при обоих переходах через нуль входных сигналов за период их изменения. Результат в этом случае рассчитывают как среднее арифметическое от двух замеров и подают на преобразователь время-код. Для построения преобразователей этого типа иногда используют методы, основанные на статистической обработке повтори-

ющихся результатов преобразования [66]. Благодаря этому удается существенно упростить схемы преобразователей и достичь высокой точности преобразования.

Построить преобразователь частоты в код нетрудно, например, используя в качестве измеряемого параметра период сигнала (т. е. временной интервал)..

Преобразователи перемещения в код являются самостоятельным классом специализированных АЦП. Специфичность этих АЦП связана с тем, что в качестве датчиков аналогового сигнала здесь используются устройства с самой разной природой физических явлений. Исходный аналоговый сигнал в АЦП этого типа может быть представлен и интенсивностью светового потока, и силой электромагнитного поля, н удельным давлением и т. д. Качество преобразователей сегодня практически полностью зависит от параметров датчиков аналоговых сигналов, поскольку электронная часть схем превратилась практически в идеальную по своим параметрам благодаря использованию технологии изготовления полупроводниковых микросхем.

Основным видом АЦП перемещения в код является преобразователь угол-код. Обычно АЦП строится на основе метода последовательного счета. Среди АЦП, построенных по методу последовательного счета, в последние годы все чаще стали применяться циклические преобразователи угла в код. Этот тип преобразователей в каждом цикле преобразования выдает код, который соответствует текущему значению входного угла. Широкое распространение получили циклические преобразователи угла в код с временной разверткой, у которых исходная угловая величина вначале преобразуется в сдвиг фазы, а затем во временной интервал и, наконец, в код.

Для выполнения преобразования угла поворота оси в сдвиг фазы используются фазовращатели. Наибольщее распространение сейчас в электромеханических системах получили индукционные электрические генераторы-ти.па синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ), или сельсинов. У этих генераторов амплитуда выходного напряжения переменного тока, получаемого с одной или двух обмоток, пропорциональна синусу или косинусу угла поворота ротора генератора. Чтобы воспользоваться таким выходным синусоидальным сигналом, необходимо перейти к его зависимости от угла. В связи с этим в реальных системах преобразователей угол-код, работающих с датчиками типа СКВТ, используют оба выходных напряжения с синусной и косинусной обмотками. Эти напряжения подаются на активную или пассивную фазосдвигающую цепь, на выходе которой образуются сдвинутые по фазе относительно напряжения питания два синусоидальных сигнала. Сдвиг по фазе, пропорциональный углу поворота, преобразуется компаратором во временной интервал, который, в свою очередь, преобразуется в код с помощью описанной выще процедуры.

11.8. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИС АЦП

Из множества описанных выше методов преобразования аналоговых величин в цифровые в полупроводниковых БИС используются только методы, обеспечивающие достижение высоких параметров АЦП при реализации структуры их узлов, совместимых по технологии изготовления. В наибольшей степени этим требованиям

f 2 3 45 6 7

25 2627

Рис. 11.10. Схема АЦП на базе БИС К572ПВ1 (а) и временные диаграммы его работы (б)

удовлетворяют методы последовательного приближения, параллельного преобразования и двухтактного интегрирования. Первый метод обеспечивает удовлетворительное сочетание точности и быстродействия, второй - возможность достичь высокого быстродействия, а третий - повышенную точность.

На основе метода последовательного приближения были созданы выпускаемые сейчас серийно БИС К572ПВ1, К1113ПВ1, и этот метод положен в основу создания БИС К1108ПВ1. АЦП К572ПВ1 не является функционально законченным, поскольку содержит только ЦАП, РПП и запоминающий регистр. Для использования в качестве АЦП последовательного приближения к БИС К572ПВ1 необходимо добавить компаратор, источник опорного напряжения и тактовый генератор (рис. 11.10, а). Последний должен формировать импульсы со скважностью 2 и максимальной частотой 250 кГц. Для преобразования аналогового сигнала в код требуется 27 тактов (рис. 11.10,6). Напряжение лог. 1 на выводах 22, 23 должно быть не меньше 10 В. Если вывод 2 отсоединить от U i, то при подаче на него напряжения лог. О четыре старших разряда (выводы 4-7) перейдут в третье состояние, т. е. выходное сопротивление по этим выводам ста.чет около 1 МОм. При подаче напряжения лог. О на вывод 16 (отсоединенный от U i) восемь следующих разрядов переходят в третье состояние. Это позволяет производить побайтовый обмен информацией с 8-разрядной шиной данных микроЭВМ. Напряжение на выводе 17 определяет режим работы БИС. При напряжении лог. О на этом выводе К572ПВ1 может использоваться в качестве АЦП, а при лог. 1 в качестве ЦАП. Чтобы АЦП на основе К572ПВ1 непрерывно преобразовывал входное напряжение, после однократного запуска необходимо вывод 28 отключить от общей шины и соединить с выводом 22. При этом вывод 27 должен быть заземлен. Усилитель А1 включен между выходом внутренней резисторной матрицы К572ПВ1 и компаратором А2 для повышения

гишение и ГипоВность првобразойанив даннь/х

Выдод 11 ВыбодП

Пвредод Выходов 6 5-Е состояние

Начало , ,/ преобра- / зоВаиия

Коней, i- преоВра- зоВания

Наличие Выгодных данны^С

а) 10

Рис. Il.ll. Схема АЦП на базе БИС К1113ПВ1 (а) и временные диаграммы его работы (б)

точности и обеспечения напряжения виртуального нуля на выходе ЦАП. При использовании ОУ К544УД2 время преобразования не меньше 110 мкс. В БИС К572ПВ1 содержатся дополнительные резисторы с сопротивлениями 2R, R, R/2 vi R/A (выводы 81, 32, 40, 41, 45). В зависимости от того, какой из них включен в цепь ОС А1, изменяется допустимый размах (/вх- Если допустимо уменьшение разрядности преобразования, то процесс преобразования можно остановить, подав на вывод 27 повторный импульс [67]. Улучшенной модификацией К572ПВ1 является БИС К572ПВЗ (см. табл. П10 и рис. П10).

БИС К1113ПВ1 является функционально законченным АЦП, сопрягаемым с микропроцессором (рис. 11.11, а).Этот АЦП может преобразовать однополярное напряжение 0...10 В (вывод 15 заземлен) в двухполярное +5 В (на вывод 15 напряжение не подается). При напряжении лог. 1 на выводе буферные каскады переходят в третье состояние и РПП находится в исходном состоянии. При напряжении лог. О на выводе запускается внутренний тактовый генератор и начинается преобразование входного аналогового сигнала в код (рис. 11.11,6). В течение преобразования сигнал на выводе 17 равен напряжению лог. 1. По окончании преобразования на выводе 17 устанавливается напряжение лог. О, открываются буферные каскады и на выходы АЦП передается результат преобразования. В К1113ПВ1 выведены две общие шины - аналоговая (вывод 14) и цифровая (вывод 16). Напряжение между этими выводами должно быть меньше 0,2 В. Не допускается подача сигналов на АЦП при включенном напряжении питания. Рекомендуется подавать аналоговое напряжение на вход после подачи цифровых сигналов управления. Типовое входное сопротивление по выводу 13 равно 10 кОм. Цепь резисторов R1-R4 позволяет регулировать Напряжение смещения нуля АЦП в диапазоне ±0,3%. Для регулировки полной шкалы используется резистор R5. При обработке биполярного входного сигнала резистор R2 следует исключить. Чтобы резисторы не ухудшали точность АЦП при

0,47%up 2-йр 1-йр

Р' 2V W 1/0- - Ь I/ -------s----

. то8пв1

Такты шнив

акт ТотоВность данных

>>20нс >25нс

7т

-i-ЧН I I Готобность данных nz 4 y/f (У Укороченный и,икл

ю

20нс.

Рис. 11.12. Схема АЦП на базе БИС К1108ПВ1 (а) и временные диаграммы его работы (б) .

изменении температуры, дрейф их сопротивления должен быть не больше 10 /° С.

В БИС КП08ПВ1 (рис. 11.12) структура отличается от традиционного АЦП последовательного приближения тем, что три старших разряда формируются в первом такте преобразования. Остальные же семь разрядов получаются, как в обычном АЦП последовательного приближения. Благодаря этому время преобразования уменьшено до 1 мкс. Недостатком этого АЦП является необходимость использования источника входного сигнала с выходным сопротивлением меньше 0,2 Ом в диапазоне частот до 1 МГц. Внешний источник опорного напряжения должен обеспечивать выходной ток больше 8 мА. *

Управление работой АЦП серии К1107 осуществляется с помощью тактовых импульсов (рис. 11.13, с и 11.14). По истечении времени /з=10...15 не после поступления фронта тактового импульса производится- выборка нового значения аналогового сигнала, т. е. в компараторах выключаются триггеры-защелки. Значение 3 может меняться на несколько наносекунд от образца к образцу АЦП или при изменении температуры. Перекодировка выходных логических сигналов компараторов осуществляется по срезу тактового импульса, а результат перекодировки подаеся на выходной регистр по фронту следующего тактового импульса (рис. 11.13,6). Задержка распространения сигнала в выходном регистре не превышает 50 не. По этому же фронту производится следующая выборка. Вследствие этого в момент получения на выходе Л^-й выборки на входе производится (yV-j-2)-H выборка. При Т^и^гО НС и /п>30 НС гарантируется нормальная работа преобразователя. Компараторы подключены к шине входного сигнала через эмиттерные повторители, благодаря чему практически исключается влияние изменения входного тока компараторов и входная емкость уменьшается приблизительно до 100 пФ в АЦП серии 1107. В БИС К1107ПВ4 предусмотрена возможность регулировки точности преобразования в пяти точках диапазона (/вх. Регулировкой (/оп1 и (/оп2 достигается устранение ошибки в крайних

лАналогоВая

Цифровая

Кт7ПВ2

\нт7пвз\

Вы5орка

Выход Н-5\)(Кодвыборки N-2

У^Код выборки N-1

Рис. 11.13. Схема АЦП на базе БИС серии К1107 (а) и временные диаграммы его работы (б)

точках шкалы, а регулировкой промежуточных опорных напряжений (Уоп/2, (Уоп/4 и 2(/оп/3 (по выводам 57, 62 и 31) обеспечивается минимальная нелинейность [68]. В этой БИС входной ток практически не зависит от (Увх- При изменении (Увх от -2,5 до --2,5 В изм1енение Д/вх = 0,7 мА. Параметры БИС серии 11.07 приведены в табл: nil:

1 ... 28 29 30 31 32 33 34 ... 38