Структурная схема ацп: Ацп структурная схема

Ацп структурная схема

ЦИУ — устройства, в к-х в процессе измерения непрерывная входная величина автоматически преобр-ся в дискретную с последующим отображением рез-та измерения на цифровом отсчетном устройстве. Любое ЦИУ состоит из входного устройства пределы измерения, масштаб , аналого-цифрового преобразователя АЦП , устройства обработки информации и устройства индикации вывода. Преобразование параметров импульсного сигнала в зависимости от параметров н-р, амплитуда исходного непрерывного сигнала называется импульсной модуляцией. Сигнал, параметры которого изменяются, называется несущим сигналом, а сигнал, информация о преобразовании параметров которого изменяются, называется модулирующим он изменяет параметры несущего. Классификация ЦИУ.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: ADC АЦП принцип работы аналого-цифрового преобразователя и его структура

12. Устройства связи и преобразования информации


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 ЭВМ и т. Параллельные АЦП основаны на использовании 2n — 1 эталонов с весами, отличающимися на один квант. Сравнение входного аналогового значения с каждым эталоном производится одновременно с помощью 2n-1 схем сравнения компараторов.

Базовая структурная схема АЦП приведена на рисунке. На его входе действует одно изменяющееся напряжение. Это напряжение в данном случае изменяется от 0 до 3 В. С выхода АЦП снимаются двоичные сигналы. АЦП преобразует аналоговый сигнал напряжения на входе в 4-разрядное двоичное слово. Таблица истинности табл. Строка 1 соответствует нулевому напряжению 0В на входе. При этом выходы также находятся в нулевом состоянии Строка 2 соответствует 0,2 В на входе.

На выходе в этом случае двоичное число В каждой новой строке увеличение входного напряжения на 0,2 В приводит к увеличению двоичного числа на выходе на 1. В строке 16 ко входу приложено максимальное напряжение, равное 3 В, на выходе мы имеем двоичное число Структурная схема АЦП представлена на рис. Ко входу АЦП см рис. Если аналоговое входное напряжение на входе А компаратора больше напряжения на входе В, разрешается прохождение тактовых счетных импульсов на вход двоично-десятичного счетчика.

Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате увеличивается цифровой сигнал двоичное число на его выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение с выхода ЦАП не превысит аналоговое входное напряжение.

В этой точке компаратор останавливает счетчик. Предположим, что входное аналоговое напряжение равно 2 В. В соответствии с табл. Рассмотрим более подробно работу АЦП рис. Предположим, что на выходе компаратора в точке X действует уровень логической 1. Считаем, что двоично-десятичный счетчик находится в состоянии К аналоговому входу АЦП приложено напряжение, равное 0,55 В.

Счетчик переходит в состояние Двоичная комбинация появляется на индикаторе в правом верхнем углу рис. Эта же двоичная комбинация подается на входы ЦАП. Согласно табл. Это напряжение подается на вход В компаратора. Компаратор сравнивает сигналы, поступившие на его входы 0,55В и 0,2В. Напряжение на входе А больше, поэтому компаратор вырабатывает на выходе сигнал логической 1.

Содержимое счетчика увеличивается на 1. На его выходах теперь появляется двоичная комбинация Эта двоичная комбинация подается на входы ЦАП. В табл. Компаратор снова сравнивает напряжение на входе В с напряжением на входе А ; напряжение 0,55В на входе А больше, поэтому на выходе компаратора опять вырабатывается сигнал логической 1. Логический элемент И открыт и позволяет следующему тактовому импульсу достичь счетчика.

Содержимое счетчика увеличивается до Далее в соответствии с табл. Этот сигнал подается на вход В компаратора. Компаратор снова сравнивает напряжение на входе В с напряжением на входе А, напряжение на входе В оказывается больше, и компаратор вырабатывает на выходе сигнал логического 0. Теперь тактовые импульсы не достигают счетчика.

Счетчик останавливается на двоичном числе Аналоговому входному сигналу, равному 0,55 В, со- ответствует двоичное число Из строки 4 табл. Структурная схема интегрирующего АЦП показана на рис. Новым узлом в интегрирующем АЦП является генератор линейно изменяющегося напряжения, показанный слева на рис.

Этот генератор вырабатывает пилообразное напряжение см. Предположим, что к аналоговому входу АЦП рис. Это иллюстрируется на рис. Линейно изменяющееся напряжение начинает возрастать, но в течение некоторого промежутка времени остается меньше, чем напряжение на входе А компаратора.

На рис. В точке Y см. Счет останавливается на двоичном числе Это двоичное число означает, что напряжение на входе равно 3 В. Еще один пример иллюстрирует рис.

В этом случае к аналоговому входу интегрирующего АЦП приложено напряжение 6 В. Линейно изменяющееся напряжение начинает возрастать. До тех пор, пока оно меньше напряжения на входе Aкомпаратора, на его выходе В действует уровень логической 1. Счетчик подсчитывает тактовые импульсы. В этой точке выход компаратора переключается к уровню логического 0. Тактовые импульсы не достигают счетчика. Счет прекращается на двоичном числе Двоичное число цифровой эквивалент аналогового входного сигнала 6 В.

Недостаток интегрирующего АЦП — слишком большое время, затрачиваемое на счет при преобразовании больших напряжений. Чтобы ускорить процесс преобразования, используют АЦП другого типа.

Структурная схема АЦП последовательного приближения показана на рис. В состав этого преобразователя входят компаратор напряжений, ЦАП и еще один логический блок — регистр последовательного приближения. Предположим, что мы подали 7 В на аналоговый вход. Этот запрос реализуется путем засылки 1 в самый старший разряд ССР двоичного числа на выходе АЦП, что осуществляется с помощью регистра последовательного приближения блок 1 на рис.

Результат операции поступает через ЦАП на вход В компаратора. Тогда регистр последовательного приближения выполняет операции, указанные в блоке 3. Разряд восьмерок сбрасывается в 0, разряд четверок устанавливается в состояние 1. Результат через ЦАП пересылается на вход компаратора. Тогда регистр последовательного приближения выполняет операцию, указанную в блоке 5. В разряде двоек устанавливается 1. Результат пересылается назад к компаратору.

Регистр последовательного приближения выполняет операцию, указанную в блоке 7. В самый младший разряд СМР засылается 1. Конечный результат: двоичное число Это и есть цифровой эквивалент входного напряжения, равного 7 В, которое действует на входе АЦП. Преимущество АЦП последовательного приближения заключается в том, что для получения конечного результата нужно сделать относительно небольшое число опросов.

В результате существенно убыстряется процесс аналого-цифрового преобразования. АЦП последовательного приближения находят очень широкое применение. Дата добавления: ; просмотров: ; Нарушение авторских прав. Аналого-цифровой преобразователь Читайте также: Аналого-цифровой преобразователь Асинхронный преобразователь частоты Значение преобразовательной деятельности Петра I Магнитоэлектрический преобразователь. Обратимый преобразователь напряжения ОУ как преобразователь сигнала П- преобразователь Пневматический унифицированный преобразователь Пневмосиловой нормирующий преобразователь.

Таблица истинности АЦП. Структурная схема АЦП. Интегрирующий АЦП. АЦП последовательного приближения. Блок — схема алгоритма работы АЦП последовательного приближения. Данные тестирования студентов. Специальность:


Аналого-цифровой преобразователь

АЦП последовательного счета Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП рис. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой — сигнал обратной связи с ЦАП. 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 U ос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи 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.

наивысшим быстродействием. Структурная схема его приведена на рис. 2. Такой АЦП включает в себя УАС и два параллельных малораз- рядных АЦП .

Параллельные АЦП (flash ADC)

АЦП выполнен по принципу последовательных приближений и обладает разрядной разрешающей способностью. Он также интегрирует 8-входовой мультиплексор, который позволяет выполнить преобразование одного из 8 входов. АЦП поддерживает два режима преобразования: 8-разрядный и разрядный, а результат преобразования размещается в общем регистре для всех каналов, а также в отдельном для каждого канала регистре. Предусмотрена возможность выбора источников запуска преобразования: программный запуск, внешний запуск по нарастающему фронту на выводе ADTRG или внутренний перезапуск выходными сигналами таймера-счетчика. АЦП также поддерживает режим сна, содержит блок упорядочивания преобразований и связан с каналом PDC. Данные особенности позволяют снизить потребляемую мощность и загрузку процессора. Наконец, пользователь может настраивать временные характеристики АЦП, в т. Рисунок Структурная схема аналогово-цифрового преобразователя.

Структурная схема АЦП с динамической

Доказывать высокую точность дифференциальных методов измерений уже давно нет необходимости, поскольку это подтверждено десятилетиями практической эксплуатации многих поколений самого разнообразного метрологического оборудования. Действительно, переход от определения абсолютной величины контролируемого параметра к измерению разницы между действительным и эталонным значениями позволяет проводить измерения с точностью, ограниченной на практике лишь техническими возможностями существующей элементной базы. Главной отличительной особенностью дифференциальных датчиков, например, на основе мостов Уитстона, является малая величина выходного напряжения, которая при полном уравновешивании измерительного контура равна нулю. Таким образом, чем меньше уровень сигнала, который может быть отслежен узлом обработки сигнала, тем лучше можно сбалансировать измерительную систему, следовательно, тем более высокий класс точности будет иметь прибор. Однако при измерении слабых дифференциальных сигналов возникает ряд проблем, главная из которых — наличие напряжения смещения Offset Voltage — дифференциальное напряжение на входе, при котором выходное напряжение равно нулю.

В настоящее время разработаны и находят применение АЦП, реализующие различные принципы преобразования аналогового сигнала в код. В качестве примера рассмотрим АЦП с последовательным единичным приближением.

Аналого-цифровой преобразователь

Если в структуре АЦП прямого взвешивания компараторы заменить линейными усилителями, а выходные напряжения каждого сравнивать с помощью ряда компараторов с несколькими опорными напряжениями, можно увеличить входной импеданс. Правда, при этом число компараторов и логических вентилей в схеме декодирования не уменьшится. Hewlett-Packard запатентовала новый метод, названный аналоговым декодированием, теоретически позволяющий для N-разрядного аналого-цифрового преобразования использовать только N компараторов, защелок и логических элементов XOR [3]. В основе метода лежит использование аналоговых схем декодирования, работающих на нескольких уровнях, в отличие от обычных компараторов, работающих на одном. Кодирование выходных сигналов В АЦП прямого взвешивания выходы компараторов, опорные напряжения которых меньше входного сигнала, находятся в состоянии 1, а у тех, опорные напряжения которых больше входного, — в состоянии 0.

Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства

Если напряжение на входе A больше напряжения на входе B, разрешается прохождение тактовых импульсов на вход счетчика. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи на входе B не превысит аналоговое напряжение по входу A. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Основа компаратора — операционный усилитель. Суть его работы: если , то на выходе имеется логическая 1; если , то на выходе — логический 0, причем уровни 1 и 0 устанавливают равными уровням ТТЛ-логики. На вход B компаратора с выхода ЦАП по цепи обратной связи подается линейно-возрастающее напряжение пилообразной формы , так как в процессе счета перед началом нового цикла счета уровень напряжения с выхода ЦАП начинается с нуля. Предположим, что аналоговое напряжение на входе АЦП равно 3В а.

применения ИС АЦП AD в портативных устройствах с разрядный аналого-цифровой преобразователь Структурная схема АЦП AD

Для преобразования напряжения в двоичный код предназначен аналого-цифровой преобразователь АПЦ Фирма Microchip выпускает АЦП как в виде отдельно стоящих микросхем, так и в виде встроенных в микроконтроллер периферийных модулей. Из-за того, что данный заряд хранится на протяжении всего времени преобразования на встроенном конденсаторе, только уровень начального заряда имеет значение. Время преобразования для любого значения входного сигнала посто янно и строго детерминировано. Это делает АЦП последовательного приближения идеальным для применения во многих системах реального времени, включая управление двигателями, системы сбора и обработки данных, системы управления технологическими процессами, медицинское оборудование.

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Мегапосты: Криминальный квест HR-истории Путешествия гика. Войти Регистрация.

В микропроцессорных системах роль импульсного элемента выполняет аналого-цифровой преобразователь АЦП , а роль экстраполятора — цифро-аналоговый преобразователь ЦАП. Аналого-цифровое преобразование заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код.

АЦП формирует на выходе напряжение от 0 до 5 В, а рабочие уровни напряжений на выводах последовательного порта составляют около 12 В. Интегральный стабилизатор 78L05 формирует напряжение 5 В из сигнала линии TD. Перед ним в схему включен импульсный диод D7. Принципиальная схема цифрового вольтметра. АЦП предназначен для работы с входными напряжениями в диапазоне от 0 В до так называемого опорного напряжения. Довольно часто в стабилизаторах напряжения используют стабилитроны, но им присущи недостатки, не позволяющие использовать их в качестве точного источника опорного напряжения.

Вернуться к оглавлению. Последовательно-параллельные АЦП. Следующим видом аналого-цифровых преобразователей, занимающим промежуточное место между скоростными параллельными АЦП и наиболее распространенными АЦП последовательного приближения, являются последовательно-параллельные АЦП. Структурная схема этого АЦП приведена на рисунке 1.


Принципиальная схема ацп

Если напряжение на входе A больше напряжения на входе B, разрешается прохождение тактовых импульсов на вход счетчика. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи на входе B не превысит аналоговое напряжение по входу A. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Основа компаратора — операционный усилитель. Суть его работы: если , то на выходе имеется логическая 1; если , то на выходе — логический 0, причем уровни 1 и 0 устанавливают равными уровням ТТЛ-логики.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Биленко И. А. — Радиофизика — Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Структурная схема АЦП с динамической


В микропроцессорных системах роль импульсного элемента выполняет аналого-цифровой преобразователь АЦП , а роль экстраполятора — цифро-аналоговый преобразователь ЦАП. Аналого-цифровое преобразование заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код.

Цифро-аналоговое преобразование призвано выполнять обратную задачу, то есть преобразовывать число, представленное в виде цифрового кода, в эквивалентный аналоговый сигнал. АЦП, как правило, устанавливаются в цепях обратных связей цифровых систем управления для преобразования аналоговых сигналов обратных связей в коды, воспринимаемые цифровой частью системы.

АЦП выполняют несколько функций, таких как: временная дискретизация, квантование по уровню, кодирование. Обобщенная структурная схема АЦП представлена на рис. На вход АЦП подается сигнал в виде тока или напряжения, который в процессе преобразования квантуется по уровню.

Идеальная статическая характеристика 3-разрядного АЦП приведена на рис. Входные сигналы могут принимать любые значения в диапазоне от — U max до U max , а выходные соответствуют восьми 2 3 дискретным уровням. Величина входного напряжения, при которой происходит переход от одного зачения выходного кода АЦП к другому соседнему значению, называется напряжением межкодового перехода. Разность между двумя смежными значениями межкодовых переходов называется шагом квантования или единицей младшего значащего разряда МЗР.

Начальной точкой характеристики преобразования называется точка, определяемая значением входного сигнала, определяемого как. Конечная точка характеристики преобразования соответствует входному напряжению, определяемому соотношением.

Величина шага квантования или единицы младшего разряда т. Как видно из рис. Существуют различные методы аналого-цифрового преобразования, различающиеся между собой по точности и быстродействию. В большинстве случаев эти характеристики антогонистичны друг другу. Структурная схема АЦП последовательных приближений представлена на рис.

Основными элементами устройства являются компаратор К , цифро-аналоговый преобразователь ЦАП и схема логического управления. Принцип преобразования основан на последовательном сравнении уровня входного сигнала с уровнями сигналов соответствующих различным комбинациям выходного кода и формировании результирующего кода по результатам сравнений.

Очередность сравниваемых кодов удовлетворяет правилу половинного деления. В начале преобразования входной код ЦАП устанавливается в состояние, в котором все разряды кроме старшего равны 0, а старший равен 1. При этой комбинации на выходе ЦАП формируется напряжение, равное половине диапазона входного напряжения.

Это напряжение сравнивается со входным напряжением на компараторе. Если входной сигнал больше сигнала, поступающего с ЦАП, то старший разряд выходного кода устанавливается в 1, в противном случае он сбрасывается в 0.

На следующем такте частично сформированный таким образом код снова поступает на вход ЦАП, в нем устанавливается в единицу следующий разряд и сравнение повторяется. Процесс продолжается до сравнения младшего бита. Это означает, что при прочих равных условиях быстродействие такого АЦП уменьшается с ростом его разрядности.

Структурная схема параллельного Flash АЦП представлена на рис. В этом случае входное напряжение подается для сравнения на одноименные входы сразу N -1 компараторов. На противоположные входы компараторов подаются сигналы с высокоточного делителя напряжения, который подключен к источнику опорного напряжения.

При этом напряжения с выходов делителя равномерно распределены вдоль всего диапазона изменения входного сигнала. Шифратор с приоритетом формирует цифровой выходной сигнал, соответствующий самому старшему компаратору с активизированным выходным сигналом.

Это один из самых быстрых способов преобразования. Однако, при большой разрядности он требует больших аппаратных затрат. Точность всех резисторов делителя и компараторов снова должна быть лучше половины величины младшего разряда. Структурная схема АЦП двойного интегрирования представлена на рис.

Процесс преобразования состоит из трех фаз рис. На первой фазе замкнут ключ SW 1, а остальные ключи разомкнуты. Через замкнутый ключ SW 1 входное напряжение подается на интегратор, который в течение фиксированного интервала времени интегрирует входной сигнал. По истечение этого интервала времени уровень выходного сигнала интегратора пропорционален значению входного сигнала.

На втором этапе преобразования ключ SW 1 размыкается, а ключ SW 2 замыкается, и на вход интегратора подается сигнал с источника опорного напряжения. Конденсатор интегратора разряжается от напряжения, накопленного в первом интервале преобразования с постоянной скоростью, пропорциональной опорному напряжению. Этот этап длится до тех пор, пока выходное напряжение интегратора не упадет до нуля, о чем свидетельствует выходной сигнал компаратора, сравнивающего сигнал интегратора с нулем.

Длительность второго этапа пропорциональна входному напряжению преобразователя. В течение всего второго этапа на счетчик помтупают высокочастотные импульсы с калиброванной частотой. С помощью данного метода можно добиться очень хорошей точности не предъявляя высоких требований к точности и стабильности компонентов.

В часности, стабильность емкости интегратора может быть не высокой, поскольку циклы заряда и разряда происходят со скоростью, обратно пропорциональной емкости. Болле того, ошибки дрейфа и смещения компарптора компенсируются благодаря тому, что каждый этап преобразования начинается и заканчивается на одном и том же напряжении. Для повышения точности используется третий этап преобразования, когда на вход интегратора через ключ SW 3 подается нулевой сигнал.

Поскольку на этом этапе используется тот же интегратор и компаратор, то вычитание выходного значения ошибки при нуле из результата последующего измерения позволяет компенсировать ошибки, связанные с измерениями вблизи нуля.

Жесткие требования не предъявляются даже к частоте тактовых импульсов, поступающих на счетчик, так как фиксированный интервал времени на первом этапе преобразования формируется из тех же самых импульсов. Жесткие требования предъявляются только к току разряда, то есть к источнику опорного напряжения.

Недостатком такого способа преобразования является невысокое быстродействие. АЦП характеризуютя рядом параметров, позволяющих реализовать выбор конкретного устройства исходя из требований, предъявляемых к системе. Все параметры АЦП можно разделить на две группы: статические и динамические. Первые определяют точностные характеристики устройства при работе с неизменяющимся либо медленно изменяющимся входным сигналом, а вторые характеризуют быстродействие устройства как сохранение точности при увеличении частоты входного сигнала.

Уровню квантования, лежащему в окрестностях нуля входного сигнала соответствуют напряжения межкодовых переходов —0. Однако, в реальных устройствах, напряжения данных межкодовых переходов могут отличаться от этих идеальных значений. При биполярных диапазонах преобразования обычно используют ошибку смещения нуля, а при униполярных — ошибку униполярного смещения. Эта ошибка приводит к параллельному смещению реальной характеристики преобразования относительно идеальной характеристики вдорль оси абсцисс рис.

Отклонение уровня входного сигнала соответствующего последнему межкодовому переходу от своего идеального значения U FSR Коэффициентом преобразования АЦП называется тангенс угла наклона прямой, проведенной через начальную и конечную точки реальной характеристики преобразования. Разность между действительным и идеальным значением коэффициента преобразования называется ошибкой коэффициента преобразования Gain Error рис.

Она включает ошибки на концах шкалы, но не включает ошибки нуля шкалы. Для униполярного диапазона она определяется как разность между ошибкой полной шкалы и ошибкой униполярного смещения нуля, а для биполярного диапазона — как разность между ошибкой полной шкалы и ошибкой биполярного смещения нуля.

По сути дела в любом случае это отклонение идеального расстояния между последним и первым межкодовыми переходами равного U FSR -2 U LSB от его реального значения. Ошибки смещения нуля и коэффициента преобразования можно скомпенсировать подстройкой предварительного усилителя АЦП.

Для этого необходимо иметь вольтметр с точностью не хуже 0. Для независимости этих двух ошибок сначала корректируют ошибку смещения нуля, а затем, ошибку коэффициента преобразования. Для коррекции ошибки смещения нуля АЦП необходимо:. Установить входное напряжение точно на уровне 0.

Для коррекции ошибки коэффициента преобразования необходимо:. Установить входное напряжение точно на уровне U FSR Подстраивать коэффициент усиления предварительного усилителя АЦП до тех пор, пока АЦП не переключится в состояние 11…1.

Отклонение расстояния между серединами двух соседних реальных шагов квантования от идеального значения шага квантования U LSB называется дифференциальной нелинейностью DNL — Differential Nonlinearity. Это влечет локальное резкое изменение коэффициента передачи АЦП, что в замкнутых системах управления может привести к потере устойчивости. Для тех приложений, где важно поддерживать выходной сигнал с заданной точностью, важно на солько точно выходные коды АЦП соответствуют напряжениям межкодовых переходов.

Линеаризованная характеристика проводится через крайние точки реальной характеристики преобразования, после того, как они были откалиброваны, то есть устранены ошибки смещения нуля и коэффициента преобразования. Ошибки дифференциальной и интегральной нелинейности скомпенсировать простыми средствами практически невозможно. Этот параметр определяет какой минимальный уровень входного сигнала относительно сигнала полной амплитуды способен воспринимать АЦП.

Точность и разрешающая способность — две независимые характеристики. Разрешающая способность играет определяющую роль тогда, когда важно обеспечить заданный динамический диапазон входного сигнала. Точность является определяющей, когда требуется поддерживать регулируемую величину на заданном уровне с фиксированной точностью. Динамическим диапазоном АЦП DR — Dinamic Range называется отношение максимального воспринимаемого уровня входного напряжения к минимальному, выраженное в дБ.

Этот параметр определяет максимальное количество информации, которое способен передавать АЦП. Характеристики реальных АЦП отличаются от характеристик идеальных устройств из-за неидеальности элементов реального устройства.

Рассмотрим некоторые параметры, характеризующие реальные АЦП. Это значение больше значения динамического диапазона такого же АЦП так как минимальный уровень воспринимаемого сигнала должен быть больше уровня шума. В данной формуле учитывается только шум квантования и не учитываются другие источники шума, существующие в реальных АЦП. Если входной сигнал имеет размах меньше U FSR , то в последнюю формулу нужно внести корректировку.

Оно определяется по формуле. Суммарный коэффициент гармоник THD — Total Harmonic Distortion — это отношение суммы среднеквадратических значений всех высших гармоник к среднеквадратическому значению основной гармоники. Этот параметр характеризует уровень гармонических искажений выходного сигнала АЦП по сравнения с входным.

THD возрастает с частотой входного сигнала. Полоса частот полной мощности FPBW — Full Power Bandwidth — это максимальная частота входного сигнала с размахом, равным полной шкале, при которой амплитуда восстановленной основной составляющей уменьшается не более чем на 3 дБ.

С ростом частоты входного сигнала аналоговые цепи АЦП перестают успевать отрабатывать его изменения с заданной точностью, что приводит к уменьшению коэффициента преобразования АЦП на высоких частотах. Этот параметр ограничен из-за конечного быстродействия различных узлов АЦП. Вследствие различного рода погрешностей характеристика реального АЦП является нелинейной.


Описание электрической принципиальной схемы

Вернуться к оглавлению. Параллельные АЦП. Простейшим по пониманию принципов работы но отнюдь не по внутреннему устройству является параллельный аналого-цифровой преобразователь. Рассмотрим его работу на примере схемы трехразрядного параллельного АЦП, приведенной на рисунке 1. Рисунок 1.

АЦП преобразовывает сигнал (напряжение) находящийся в диапазоне . Принципиальная схема используемая в данной лабораторной работе.

Описание схемы

Принципиальная электрическая схема аналого-цифрового преобразователя и устройства управления приведена на листе 6. АЦП имеет внутренний источник опорного напряжения, тактовый генератор и компаратор напряжения. Для включения АЦП требуются источники питания и формирователь сигналов управления преобразованием. Режимы работы микросхемы определяются управляющими импульсами. Микросхема КПВ1 допускает предварительную установку напряжения смещения нуля. В зависимости от точности регулирования и диапазона необходимой шкалы входного напряжения применяются различные варианты схем регулирования напряжения смещения. Поскольку входы и выходы АЦП предназначены для работы с ТТЛ-логикой, а вся цифровая часть схемы реализована на логике КМДП [16] для повышения помехозащищённости и снижения потребляемой энергии , то для согласования входов и выходов АЦП применены микросхемы преобразователей. Триггер DD1 выполняет роль устройства, осуществляющего управление всей схемой.

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ADC 10 И ADC 12

Скачать файл: referat. Проектирование восьмиразрядного быстродействующего АЦП для наблюдения формы сигнала снимаемого с фэу. Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями АЦП и ЦАП. Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Аналого-цифровые преобразователи конвейерного типа пока не нашли широкого внедрения в виде одной интегральной схемы.

Вы точно человек?

В ходе курсовой работы необходимо нарисовать функциональную и принципиальную схему аналого-цифрового преобразователя АЦП , выбрать микросхему АЦП в соответствии с вариантом, тип конвертора USB, преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции. В ходе курсового проектирования необходимо разработать функциональную и принципиальную схему АЦП, рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот, выбрать микросхему АЦП, выбрать тип конвертора USB, рассчитать и выбрать преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнить моделирование схемы с помощью одного из программных пакетов схемотехнического моделирования. Исходные данные для курсового проекта: максимальная амплитуда симметричного входного сигнала, динамический диапазон, напряжение синфазной помехи, верхняя частота спектра входного сигнала, количество входных сигналов, разрядность АЦП, выходной код АЦП — последовательный или параллельный приведены в таблице 1. Аналого — цифровой преобразователь АЦП представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему через интерфейс USB. АЦП состоит из трех частей: аналоговой части, собственно АЦП в интегральном исполнении и цифровой части. При этом в аналоговой части осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП.

1.6.3 Принципиальная электрическая схема аналого-цифрового преобразователя и устройства управления

Техническое задание. Разработать АЦП поразрядного уравновешивания с устройством выборки хранения, автоматическим выбором пределов измерения, автоматической начальной предустановкой в исходное состояние и различными видами запуска ручной, от внешнего генератора, от внутреннего генератора со следующими характеристиками. Спектр входного сигнала приведен на рисунке 1. В большинстве современных автоматизированных систем используются цифровые вычислительные машины, у которых исходные, промежуточные и выходные величины представлены в цифровой дискретной форме, реализуемой в виде кода [5]. В связи с необходимостью создания устройств, связывающих цифровые вычислительные машины с объектами, использующими информацию в непрерывной аналоговой форме, потребовалось преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую. Первую группу устройств называют аналого-цифровыми преобразователями АЦП. Вторую — цифро-аналоговыми преобразователями ЦАП. Аналого-цифровые преобразователи АЦП применяются в измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для согласования аналоговых источников измерительных сигналов с цифровыми устройствами обработки и представления результатов измерения[2].

На рисунке 1 показана принципиальная схема АЦП, нарисованная в программе «Proteus ». Программирование МК было выполнено.

Причиной тому — исключительная простота их применения и доступная цена. Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с данными АЦП, сразу превращает компьютер в цифровой мультиметр, запоминающий осциллограф, анализатор спектра и даже в ленточный регистратор самописец , причем все эти виртуальные приборы работают с сигналами в полосе частот от нуля постоянный ток до нескольких килогерц. Подобное оборудование при наличии соответствующих датчиков и устройств нормирования отлично подходит для измерения и регистрации самых разных физических параметров. Конкретные технические решения подробно рассматриваются в главе 6.

В том случае если входное напряжение меньше выходного после ЦАП устанавливается 0. Регистр последовательного приближения — РПП находится также в микросхеме D1. В начале цикла преобразования все выходы этого регистра устанавливаются в логический 0, за исключением первого старшего разряда порт D0 микроконтроллера D1. Это формирует на выходе цифро-аналогового преобразователя ЦАП сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП.

Так, в параграфах, посвященных умножающим ЦАП серии К известным по более ранним публикациям , акцент сделай на специфику их применения в аппаратуре и принципиальные электрические схемы устройств преобразования формы информации. Микросхема представляет собой восьмиразрядный АЦП последовательных приближений, предназначенный для ввода аналоговой информации в микропроцессоры, микроЭВМ и другие устройства вычислительной техники и обеспечивает следующие режимы: сопряжения, статической памяти и с произвольной выборкой.

Поиск новых сообщений в разделах Все новые сообщения Компьютерный форум Электроника и самоделки Софт и программы Общетематический. Принципиальная схема ти разрядного АЦП. Больше не надо. Помогли в другом месте. Граждане, вас жаба душит помогать людям или здесь просто нет людей, которые разбираются в электронике? Хотите сделать мир лучше — начните с себя. Сообщение от jirogirg.

В микропроцессорных системах роль импульсного элемента выполняет аналого-цифровой преобразователь АЦП , а роль экстраполятора — цифро-аналоговый преобразователь ЦАП. Аналого-цифровое преобразование заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код. Цифро-аналоговое преобразование призвано выполнять обратную задачу, то есть преобразовывать число, представленное в виде цифрового кода, в эквивалентный аналоговый сигнал. АЦП, как правило, устанавливаются в цепях обратных связей цифровых систем управления для преобразования аналоговых сигналов обратных связей в коды, воспринимаемые цифровой частью системы.


Структурная схема АЦП, Работа устройства

Для более полного понимания работы АЦП как системы рассмотри м структурную схему АЦП. Она представлена на рис.2.8.

Рис. 2.8 Структурная схема АЦП

В состав АЦП входят следующие блоки:

БСП — Блок стабилизации питания. Необходим для стабильного питания и обеспечения расхода нужной мощности.

УВХ1…УВХn — Устройство выборки-хранения. Необходим для устранения апертурной погрешности, и позволяет какое-то время сохранять сигнал.

БРС — Бок распределения сигнала. Необходим для согласования внешних сигналов управления с внутренними настройками на заданную точность сигнала.

УУ — Устройство управления. Является основным управляющим органом данной системы и согласует между собой работу всех блоков.

НП — Нейронный преобразователь. Осуществляет преобразование входных сигналов с заданной точностью одновременно.

УВ — Устройство вывода. Подает на выход АЦП — код преобразованного сигнала с информацией об обновлении вывода.

Работа устройства

При подаче на вход АЦП аналогового сигнала, одновременно с ним подается управляющий сигнал. Аналоговый сигнал запоминается в этот момент в УВХ, а управляющий идет на БРС. БРС сигнализирует о готовности УУ и передает точность измерения в НП. Далее сигнал с УВХ поступает на вход НП и после преобразования поступает на УВ, а затем на выход преобразователя.

Пример

Пусть на вход устройства поступает три аналоговых сигнала Х1, Х2 и Х5 для которых определена следующая точность: Х1 — 8 разрядов цифрового кода, Х2 — 12, разрядов цифрового кода и Х5 — 16 разрядов цифрового кода.

Таким образом, после появления управляющего сигнала на 1, 2 и 5 входных каналов БРС, БРС подаст сигнал на устройства УВХ1, УВХ2 и УВХ5 соответственно, они откроются и запомнят аналоговый сигнал. Одновременно с этим БРС сигнализирует УУ об изменении своего состояния и выставляет на вход НП — заданную точность для каждого канала. Далее о готовности по тому или иному каналу НП сигнализирует УУ и выставляет код на вход УВ, после чего информация поступает на внешнее устройство. Так как у разных входов разная точность, то и время преобразования соответственно будет разным. Таким образом наименьшее время преобразования будет по 1 каналу, далее завершится преобразование второго канала, а затем пятого. Поэтому сперва появится код первого канала по первой группе, затем код второго канала на выходе второй группы, после этого через минимально заданное время или после того как будет закончено преобразование по пятому каналу на выводах первой группы появится код пятого канала.

Так как основным устройством является нейронный преобразователь, осуществляющий преобразование аналоговых сигналов по нескольким выводам одновременно и с определенной точностью. Рассмотрим его структуру и принципы работы.

Аналого-цифровое преобразование для начинающих / Хабр

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.

»

Введение

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.

Типы АЦП

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.

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.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.

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:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

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).

Литература

W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-020.pdf
W. Kester. ADC Architectures II: Successive Approximation ADC. Analog Devices, MT-021 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-021.pdf
W. Kester. ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics. Analog Devices, MT-022 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-022.pdf
W. Kester. ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications. Analog Devices, MT-023 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-023.pdf

Схема преобразования аналогового сигнала в цифровой. Основные характеристики ацп

Любой АЦП является сложным электрон­ным устройством, которое может быть выполнено в виде одной интегральной микросхемы или содержать большое количество различных электронных компо­нентов. В связи с этим характеристики АЦП зависят не только от его построения, но и от характеристик элементов, которые входят в его состав. Большинство АЦП оценивают по их основным метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим характеристикам АЦП относят: абсолютные значения и поляр­ности входных сигналов, входное сопротивление, значения и полярности выход­ных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжений и токов источников питания, количество двоичных или десятичных разрядов выходного кода, погрешности преобразования постоянного напряжения и др.

К динамическим па­раметрам АЦП относят: время преобразования, максимальную частоту дискрети­зации, апертурное время, динамическую погрешность и др.

Рассмотрим некоторые из этих параметров более подробно. Основной харак­теристикой АЦП является его разрешающая способность , которую принято опре­делять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающую способность можно выражать в процентах, в количе­стве разрядов или в относительных единицах.

Например, 10-разрядный АЦП име­ет разрешающую способность (1024) -1 » 10 -3 = 0,1 %. Если напряжение шкалы для такого АЦП равно 10 В, то абсолютное значение разрешающей способности будет около 10 мВ.

Реальное значение разрешающей способности отличается от расчетного из-за погрешностей АЦП. Точность АЦП определяется значениями абсолютной погрешности, дифференциальной и интегральной нелинейности. Абсолютную по­грешность АЦП определяют в конечной точке характеристики преобразования, поэтому ее обычно называют погрешностью полной шкалы и измеряют в едини­цах младшего разряда.

Дифференциальную нелинейность (DNL) определяют через идентичность двух соседних приращений сигнала, т. е. как разность напряжений двух соседних квантов: DNL = hi-h i +1 . Определение дифференциальной нелинейности показано на рис. 2.3 а.

Интегральная нелинейность АЦП (INL) характеризует идентичность прираще­ний во всем диапазоне входного сигнала. Обычно ее определяют, как показано на рис. 2.3 б, по максимальному отклонению сглаженной характеристики преобра­зования от идеальной прямой линии, т. е. INL = u i » – u i .

Время преобразования Т пр обычно определяют как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого кода входного сигна­ла. Для одних типов АЦП это время постоянное и не зависит от значения входно­го сигнала, для других ацп это время зависит от значения входного сигнала. Если АЦП работает без устройства выборки и хранения, то время преобразова­ния является апертурным временем.

Максимальная частота дискретизации его частота, с которой возможно преобразование входного сигнала, при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы. Иногда максимальную частоту преобразования принимают равной обратной величине времени преобразования. Однако это пригодно не для всех типов АЦП.

Рис. 2.3. Определение дифференциальной нелинейности (а)

и интегральной нелинейности (б)

Принципы построения АЦП

Все типы используемых АЦП можно разделить по признаку измеряемого значения напряжения на две группы: АЦП мгновенных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения (интегрирующие АЦП). Рассмотрим вначале АЦП, которые позволяют определять код мгновен­ного значения напряжения, а затем рассмотрим интегрирующие АЦП и особенно­сти их использования.

АЦП мгновенных значений можно разделить на следующие основные виды: пос­ледовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллель­но-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервал времени.

Структурная схема АЦП последовательного счета приведена на рис. 2.4а. Она содержит компаратор, при помощи которого выполняется сравнение входно­го напряжения с напряжением обратной связи. На прямой вход компаратора поступает входной сигнал u вх , а на инвертирующий — напряжение u 5 обратной связи. Работа преобразователя начинается с приходом импульса «ПУСК» от схе­мы управления (на рисунке она не показана), который замыкает ключ S. Через замкнутый ключ S импульсы u 1 от генератора тактовых импульсов поступают на счетчик, который управляет работой цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В результате последовательного увеличения выходного кода счетчика происхо­дит последовательное ступенчатое увеличение выходного напряжения u 5 ЦАП. Питание ЦАП выполняется от источника опорного напряжения u 4 .

Когда выходное напряжение ЦАП сравняется с входным.напряжением, про­изойдет переключение компаратора и по его выходному сигналу «СТОП» ра­зомкнется ключ S. В результате импульсы от генератора перестанут поступать на вход счетчика. Выходной код, соответствующий равенству u вх = u 5 снимается с выходного регистра счетчика.

Рис. 2.4. Структурная схема АЦП последовательного счета (а)

и графики процесса преобразования (б)

Графики, иллюстрирующие процесс преобразования напряжения в цифровой код, приведены на рис. 2.4 б. Из этих графиков видно, что время преобразования переменное и зависит от уровня входного сигнала. При числе двоичных разрядов счетчика, равном n , и периоде следования счетных импульсов Т максимальное время преобразования можно определить по формуле:

Т пр = (2 n — 1)T. (2.4)

Так, например, при n = 10 разрядов и T = 1мкс (т.е. при тактовой частоте 1 МГц) максимальное время преобразования равно

Т пр = (2 10 — 1) = 1024мкс » 1 мс .

что обеспечивает максимальную частоту преобразования около 1 кГц.

Уравнение преобразования АЦП последовательного счета можно записать в виде:

kDU = u вх,

где 0 число ступеней до момента сравнения, DU = h — значение одной ступени, т. е. шаг квантования.

Структурная схема АЦП последовательного приближения приведена на рис. 2.5 а . По сравнению со схемой АЦП последовательного счета в ней сделано одно существенное изменение — вместо счетчика введен регистр последовательно­го приближения (РПП). Это изменило алгоритм уравновешивания и сократило время преобразования.

В основе работы АЦП с РПП лежит принцип дихотомии, т. е. последователь­ного сравнения преобразуемого напряжения u вх с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. возможного максимального его значения U m . Это позволяет для n -разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за п последовательных шагов приближения (ите­раций) вместо (2 n -1) при использовании последовательного счета, и получить существенный выигрыш в быстродействии. График процесса преобразования АЦП с РПП показан на рис. 2.5 б.

Рис. 2.5. Структурная схема АЦП последовательного приближения (а),

графики процесса преобразования (б) и диаграмма переходов

для трехразрядного АЦП (в)

В качестве примера на рис. 2.5 в показана диаграмма переходов для трехраз­рядного АЦП последовательного приближения. Поскольку на каждом шаге про­изводится определение значения одного разряда, начиная со старшего, то такой АЦП часто называют АЦП поразрядного уравновешивания. При первом сравне­нии определяется — больше или меньше напряжение u вх, чем Um/2. На следующем шаге определяется, в какой четверти диапазона находится u вх . Каждый последую­щий шаг вдвое сужает область возможного результата.

При каждом шаге сравнения компаратор формирует импульсы, соответствую­щие состоянию «больше-меньше» (1 или 0), управляющие регистром последова­тельных приближений.

Структурная схема параллельного АЦП приведена на рис. 2.6. Преобразова­тель осуществляет одновременное квантование входного сигнала u вх с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резистивного делителя в соответ­ствии с используемой шкалой квантования. При подаче на входы компараторов сигнала u вх на их выходах получим квантованный сигнал, представленный в уни­тарном коде.

Рис. 2.6. Структурная схема параллельного АЦП

Для преобразования унитарного кода в двоичный (или двоично-десятичный) используют кодирующий преобразователь. При работе в двоичном коде все рези­сторы делителя имеют одинаковые сопротивления R. Время преобразования тако­го преобразователя составляет один такт, т. е. Т пр = Т . Параллельные преобразова­тели являются в настоящее время самыми быстрыми и могут работать с частотой дискретизации свыше 100 МГц.

Делитель опорного напряжения представляет собой набор низкоомных резисторов с сопротивлением около 1 Ом. По выводу «Коррекция» возможно про­ведение коррекции напряжения смещения нулевого уровня на входе, а по выводу U оп2 — абсолютной погрешности преобразования в конечной точке шкалы. Номи­нальные значения опорных напряжений имеют значения: U оп1 = — 0,075 … 0 B, и U оп2 = -2,1 … -1,9 В. Типовая задержка срабатывания компараторов около 7 нс.

Структурная схема последовательно-параллельного АЦП приведена на рис. 2.7. Такой АЦП работает в несколько тактов. В первом такте АЦП преобразует стар­шие разряды входного напряжения u вх в цифровой код (на схеме это разряды 2 3 … 2 5). Затем во втором такте эти разряды преобразуются с помощью ЦАП в напряжение, которое вычитается из входного сигнала в вычитающем устройстве ВУ. В третьем такте АЦП 2 преобразует полученную разность в код младших разрядов входного напряжения u вх .

Такие преобразователи характеризуется меньшим быстродействием по срав­нению с параллельными, но имеют меньшее число компараторов. Так, например, для 6-ти разрядного параллельного АЦП необходимо 64 компаратора, а для пос­ледовательно-параллельного АЦП — всего 16.

Количество каскадов в таких АЦП может быть увеличено, поэтому они часто называются многокаскадными или конвейерными. Выходной код таких АЦП представляет собой сумму кодов N = N 1 + N 2 + N 3 +…, вырабатываемых отдельными каскадами.

Рис. 2.7. Структурная схема параллельно-последовательного АЦП

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Назначение и классификация аналого-цифровых преобразователей.

2. Основные характеристики АЦП.

3. Основные принципы построения АЦП.

4. Схема АЦП последовательного счета.

5. Схема параллельного АЦП.

6. Схема параллельно-последовательного АЦП.

7. Схема АЦП последовательных приближений.

3 ВИДЫ ДВОИЧНЫХ КОДОВ

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.

Введение

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.

Типы АЦП

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.

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.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

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.

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 .

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.

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:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

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).

Литература

W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial.

При использовании ЭВМ для обработки информации от различных устройств (объектов, процессов), в которых информация представлена непрерывными (аналоговыми) сигналами, требуется пре- образовать аналоговый сигнал в цифровой — в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала, и наоборот. В общем случае процедура аналого-цифрового преобразования состоит из трех этапов }

назначение, схемы, характеристики, описание и назначение

Пример HTML-страницы

Что такое АЦП?

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)−1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10мВ. Время преобразования tпp — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала

По параллельному методу входное напряжение одновременно сравниваются с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной.

Принцип действия АЦП (рис. 3.93)

При Uвх = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений (U+ − U) < 0 (U+, U — напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны −Епит а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Z0, Z1, Z2 устанавливаются нули. Если Uвх > 0,5U, но меньше 3/2U, лишь для нижнего ОУ (U+ − U) > 0 и лишь на его выходе появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Z0 = 1, Z2 = Zl = 0. Если Uвх > 3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.

Посмотрите интересное видео о работе АЦП:

АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала

Это АЦП последовательного счета, который называют АЦП со следящей связью (рис. 3.94). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП −U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)).

Принцип действия рассматриваемого АЦП рис. 3.95) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Использованы следующие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генератор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик импульсов.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Отмеченный во временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН.

Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвх и Uглин. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика.

Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

АЦП с двойным интегрированием

Такой АЦП реализует метод последовательного преобразования входного сигнала (рис. 3.96). Использованы следующие обозначения: СУ — система управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик импульсов.

Принцип действия АЦП состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения Uвх интегратором на основе ОУ (напряжение Uи на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего — интегрирование опорного напряжения Uоп (Uи меняется от максимальной по модулю величины до нуля) (рис. 3.97).
Пусть время t1 интегрирования входного сигнала постоянно, тогда чем больше второй отрезок времени t2 (отрезок времени, в течение которого интегрируется опорное напряжение), тем больше входное напряжение. Ключ КЗ предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние.

В первый из указанных отрезков времени ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут, а во второй, отрезок времени их состояние является обратным по отношению к указанному. Одновременно с замыканием ключа К2 импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч.

Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю.

Напряжение на выходе интегратора по истечении отрезка времени t1 определяется выражением

Uи(t1) = − ( 1/RC) · t10Uвхdt= − ( Uвх · t1 ) / ( R·C)

Используя аналогичное выражение для отрезка времени t2, получим

t2 = − ( R·C/Uоп) ·Uи(t1)

Подставив сюда выражение для Uи(t1), получим t2 =( Uвх / Uоп)·tоткуда Uвх = Uoa · t2/t1

Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.

Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП — малое быстродействие.

Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 3.3) Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшим — АЦП последовательного преобразования.

Предлагаем посмотреть ещё одно достойное видео о работе и устройстве АЦП:

5. Структурная схема встроенного аналого-цифрового преобразователя, его основные параметры. Настройка ацп, управляющие регистры. Прерывания по завершению цикла преобразования.

Параметры АЦП (айтини13):

  • Только один встроенный 4-канальный АЦП с мультиплексором, который может переключать текущий канал. Один АЦП, но входов несколько, если хотим одновременно оцифровывать несколько входных сигналов, то просто переключаем каналы. При этом получается псевдосинхронное преобразование. Входы мультиплексора могут работать как по отдельности (в несимметричном режиме, измеряя напряжение относительно земли), так и объединяться в пары (только для некоторых моделей микроконтроллеров), измеряя дифференциальное напряжение. Также опционально возможно усиление входного сигнала с фиксированным коэффициентом 10 или 100.

  • Аналоговое напряжение могут считывать только те выводы, которые имеют метку «ADC» (у нас это с ADC0 до ADC3), а так их обычно от 4 до 16.

  • Встроенный источник опорного напряжения (в 13 он один, но может быть и несколько). В роли источника опорного напряжения может еще выступать напряжение питания мк.

  • Максимальное разрешение 10 бит (анисимов сказал, что он дохленький)

  • Максимальная частота дискретизации (количество тактов, которое ставится на одно АЦП преобразование) – до 1 МГц. Рекомендуемые цифры меньше сотни кГц на один канал.

Также возможно два режима преобразования: непрерывный (free-running mode), когда по завершении одного цикла преобразования сразу же следует другой, и одиночный (single), когда последовательность циклов регулируется вручную. Первый способ не отличается высокой точностью измерений и целесообразен только при необходимости максимальной скорости преобразований.

Рисунок 1 – Блок-схема встроенного АЦП.

Есть 10-битный ЦАП, компаратор (Sample&Hold comparator), устройство выборки и хранения совмещено с компаратором, входом управляет мультиплексор, который выбирает какой канал поступает на вход компаратора, в один момент работает 1 из 4 каналов. Выход компаратора идет на управляющую логику, включающую регистр последовательных преобразований. Результат поступает на двухбайтный регистр, двухбайтный, потому что состоит из двух частей ADCH и ADCL. Есть предделитель, который задает частоту преобразования, и управляющий регистр (ADC CTRL & STATUS…). Мультиплексор управляет источником опорного напряжения, который идет на ЦАП (или внутренний источник на 1.1 В или напряжение питания).

Предделитель

Входной сигнал идет не на прямую с основного тактового генератора, на котором работает мк. А как в таймерах через предделитель. На прямую не можем подавать, минимальный коэффициент деления 2, максимальный – 128. За это отвечают 3 бита в управляющем регистре, это будет дальше.

Для выполнения первого преобразования (при первоначальной настройке АЦП) требуется 25 тактов, последующие половину – 13 тактов (первое занимает больше времени из-за необходимости настройки каналов). Тактовая частота преобразования формируется с помощью делителя от опорной частоты микроконтроллера при помощи соответствующего управляющего регистра, рекомендованная частота преобразования – от 50 до 200кГц, в этом диапазоне наиболее вероятно получение наиболее достоверного результата измерения.

Время преобразования

Результат преобразования сохраняется в регистр ADC (ADCL, ADCH)

ADC = (VIN*1024)/VREF

(если 10 бит, Vref – источник опорного напряжения)

Управляющие регистры

    1. ADMUX – управляет мультиплексором.

Мультиплексор управляет выбором источника опорного напряжения и выбором текущего канал откуда берем аналоговый сигнал. Также отвечает за режим хранения данных. В этом регистре нас больше всего интересуют биты, описанные далее.

6 бит REFS1:0 (Reference Selection Bits) – определяют источник опорного напряжения, относительно которого будет происходить преобразование. Опорное напряжение должно быть как можно более стабильным, без помех и колебаний по напряжению – от этого во многом зависит точность работы АЦП. Все возможные варианты приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1Выбор источника опорного напряжения АЦП

REFS[1:0]

Источник опорного напряжения

00

Напряжение питания

01

Внутренний ИОН на 1.1В

10

Внутренний ИОН на 2.2В

11

Внутренний ИОН на 4.3В

Внутренний источник опорного напряжения не очень точный и подходит только для нетребовательных приложений.

MUX4:0 1:0 (Analog Channel and Gain Selection Bits) – данные биты определяют текущий вход (канал), с которого мы будем считывать аналоговый сигнал. Также с помощью этих битов выставляется коэффициент усиления при измерении в дифференциальном режиме. Возможные конфигурации для выбора текущего источника входного сигнала представлены в табл. 7.2.

Таблица 7.2. Выбор текущего канала АЦП

MUX4..0 1..0

Номер канала

00000

ADC0 (PB5)

00001

ADC1 (PB2)

00010

ADC2 (PB4)

00011

ADC3 (PB3)

00100

ADC4

00101

ADC5

00110

ADC6

00111

ADC7

2. ADCSRA (ADC Control and Status Register A) – управляющий регистр, отвечающий за работу АЦП:

ADEN (ADC Enable) – записывая единицу в этот бит, разрешаем использование АЦП.

ADSC – отвечает за начало АЦП преобразования. ADSC (ADC Start Conversion) – записывая единицу в этот бит, мы начинаем очередной цикл преобразования в одиночном режиме работы (или первый цикл при непрерывном), который занимает 13 тактов (первый цикл – 25 тактов, здесь осуществляется первоначальная инициализация АЦП), при условии, что с помощью бита ADEN разрешено использование АЦП. Каждый раз надо ручками ставить 1, так как она сбрасывается после завершения АЦП преобразования.

ADATE (ADC Auto Trigger Enable) – возможность запуска преобразований от внешних источников, таймера и тп.

ADIF (ADC Interrupt Flag) – флаг прерывания по завершению преобразования, когда регистры данных обновились. Автоматически. (вроде как устанавливается в 1 по завершению цикла преобразования)

ADIE (ADC Interrupt Enable) – разрешение прерывания по завершению цикла преобразования.

ADPS2:0 (ADC Prescaler Select Bits) – позволяет выбрать коэффициент делителя тактовых импульсов для установки частоты преобразований (в непрерывном режиме). Значение коэффициента делителя определяется в соответствии с табл. 7.3.

Таблица 7.3. Выбор коэффициента деления

ADPS2

ADPS1

ADPS0

Коэффициент деления

0

0

0

2

0

0

1

2

0

1

0

4

0

1

1

8

1

0

0

16

1

0

1

32

1

1

0

64

1

1

1

128

ADFR (ADC Free Running Select) – записывая единицу в этот бит, выбираем непрерывный режим преобразования.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)? Блок-схема, факторы и приложения ADC

Что такое АЦП (аналого-цифровой преобразователь)?

АЦП означает аналого-цифровой преобразователь . Это электронное устройство, используемое для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал .

Аналоговый входной сигнал АЦП представляет собой непрерывное время и непрерывную амплитуду сигнала.Выход АЦП представляет собой дискретных времени и дискретных амплитуд цифровых сигналов.

Почему АЦП?

В реальном мире каждая реальная величина, такая как голос, температура, вес и т. д., существует в аналоговом состоянии . И он не может быть обработан каким-либо цифровым устройством, таким как компьютер или мобильный телефон.

Эти аналоговые величины преобразуются в цифровую форму, чтобы цифровое устройство могло их обрабатывать. Это преобразование выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя .

Блок-схема АЦП

Аналоговый сигнал сначала применяется к блоку ‘ sample ’, где он дискретизируется с определенной частотой дискретизации. Значение амплитуды выборки сохраняется и хранится в блоке « hold ». Это аналоговая величина. Семпл удержания квантуется в дискретное значение блоком « Quantize ». Наконец, «энкодер » преобразует дискретную амплитуду в двоичное число.

Этапы аналого-цифрового преобразования

Преобразование аналогового сигнала в цифровой в аналого-цифровом преобразователе поясняется ниже с использованием приведенной выше блок-схемы.

Образец

Функция блока sample предназначена для выборки входного аналогового сигнала через определенный интервал времени. Образцы взяты в непрерывной амплитуде и имеют реальное значение, но они дискретные по отношению к времени .

Частота дискретизации играет важную роль в преобразовании. Таким образом, он поддерживается на определенной скорости. Частота дискретизации устанавливается в соответствии с требованиями системы.

Удержание

Вторым блоком, используемым в ADC, является блок « Hold»  .У него нет никакой функции. Он удерживает только амплитуду выборки до тех пор, пока не будет взята следующая выборка. Значение удержания остается неизменным до следующей выборки.

Квантизация

Этот блок используется для квантования . Он преобразует аналоговую или непрерывную амплитуду в дискретную амплитуду.

Непрерывное значение амплитуды при удержании в блоке удержания проходит через блок « Quantize» и становится дискретным в амплитуде . Сигнал теперь находится в цифровой форме, так как он имеет дискретных времени и дискретных амплитуд .

Энкодер

Блок кодировщика преобразует цифровой сигнал в двоичную форму , т.е. в биты.

Поскольку мы знаем, что цифровые устройства работают с двоичными сигналами, необходимо преобразовать цифровой сигнал в двоичную форму с помощью кодировщика.

Это весь процесс преобразования аналогового сигнала в цифровую форму с использованием аналого-цифрового преобразователя . Все это преобразование происходит за микросекунду.

Факторы АЦП
Разрешение:

Разрешение АЦП — это количество битов , которое представляет амплитуду цифрового сигнала.

Аналоговый сигнал имеет непрерывную амплитуду. Он может иметь бесконечных значения  т. е. реальных, плавающих практически любых значений, которые только можно себе представить. С другой стороны, цифровой сигнал имеет дискретное и конечное число значений. Эти дискретные значения представлены с помощью двоичных чисел (бит).

Чтобы лучше понять идею разрешения ADC ,

На рисунке выше показан аналоговый сигнал, представленный в цифровой форме, который равен либо 0, либо 1. Это 1-битное разрешение. Разрешение АЦП определяет его количество шагов .

количество шагов = 2 n

Где n — количество бит. Следовательно, в 1-битном разрешении есть 2 шага.

На этом рисунке показано преобразование аналогового сигнала в цифровой с 2-битным разрешением.Есть 4 шага или уровня квантования .

Количество ступеней = 2 n = 2 2 = 4

На этом рисунке показано 4-битное разрешение. Количество шагов в 4-битном разрешении равно 16.

Кол-во ступеней = 2 n = 2 4 = 16

Количество шагов увеличивается экспоненциально с увеличением разрешения бит . Это также означает, что при увеличении разрешения в битах преобразованный цифровой сигнал становится более похожим на исходный аналоговый сигнал.Так что в идеале мы можем сказать, что цифровой сигнал с бесконечным разрешением является аналоговым сигналом.

Связанная запись: Введение в сигналы, типы, свойства, операции и применение

Ширина шага

Разность напряжений между двумя соседними ступеньками известна как ширина ступеньки . Обозначается Δv .

Таким образом, один шаг представляет фиксированное напряжение , то есть

Δv = v исх. /2 n

Где v ref — максимальное преобразуемое напряжение, а n — биты разрешения.

Например:

v ссылка = 10,24v & n = 10 бит

Тогда:

Δv = 10,24/2 10

Δv = 10,24/1024

Δv = 0,01v

Таким образом, размер шага или ширина шага составляет 0,01v . В этом АЦП увеличение на один бит представляет собой 0,01v увеличения аналогового входа. Если аналоговый вход увеличивается на 0,01 В , то выход увеличивается на 1 бит.

Ошибка квантования

АЦП обновляет свое значение, если увеличение или уменьшение его входного напряжения превышает Δv/2 . Любое изменение менее Δv/2 не будет зарегистрировано. Это известно как Ошибка квантования .

Другими словами, разница между входным значением и цифровым округлением на выходе называется ошибкой квантования.

Увеличение разрешения АЦП уменьшает размер шага , если отношение v ref остается постоянным.Следовательно, ошибка квантования уменьшается.

Частота дискретизации

Количество выборок, сделанных в течение одной секунды, известно как частота дискретизации или частота дискретизации .

Частота дискретизации должна быть установлена ​​в соответствии с входным сигналом. Это не должно быть очень низкий или очень высокий .

Пример выборки:

В этом примере показано, что частота дискретизации равна 0.5 секунд, так как за одну секунду требуется 2 выборки.

Псевдоним

Если частота дискретизации очень низкая , то результирующий сигнал не будет похож на исходный сигнал. Фактически, после реконструкции он станет другим сигналом. Эта проблема известна как псевдоним .

Чтобы избежать этой проблемы, частота дискретизации должна быть выше , чем вдвое выше частоты входного сигнала. Фильтры сглаживания также используются для удаления частотных составляющих выше половины частоты дискретизации.он блокирует выборку компонентов псевдонимов.

Критерии Найквиста

Критерий Найквиста предлагает минимальную возможную частоту дискретизации для аналогового сигнала, который может быть успешно восстановлен . Если самая высокая частота аналогового сигнала равна f , сигнал может быть успешно восстановлен из его отсчетов, если отсчеты взяты с частотой дискретизации больше 2f .

Смещение

Смещение в АЦП соответствует смещению на цифровом выходе.Например, для ввода v в = 0 вывод не обязательно может быть цифровым 0 . Это может быть цифровой 5 , который будет смещением АЦП .

Запись по теме: Что такое квантизация и сэмплирование? Типы и законы сжатия

Применение АЦП

В современном мире растущих технологий мы зависим от цифровых устройств. Эти цифровые устройства работают на цифровом сигнале. Но не каждая величина представлена ​​в цифровой форме, а в аналоговой.Таким образом, АЦП используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы. приложения ADC безграничны. Некоторые из этих приложений приведены ниже:

  • Сотовые телефоны работают на цифровом голосовом сигнале. Первоначально голос находится в аналоговой форме, которая преобразуется с помощью АЦП перед подачей на передатчик сотового телефона.
  • Изображения и видео снятые с помощью камеры сохраняются на любом цифровом устройстве, также преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП.
  • Медицинская визуализация, такая как рентгеновский снимок и МРТ , также использует АЦП для преобразования изображений в цифровую форму перед модификацией. Затем они модифицируются для лучшего понимания.
  • Музыка с кассеты также преобразуется в цифровую форму, такую ​​как компакт-диски и флэш-накопители с использованием преобразователей ADC .
  • Цифровой осциллограф также содержит АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой для целей отображения и других функций.
  • Кондиционер содержит датчика температуры для поддержания температуры в помещении. Эта температура преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП, чтобы встроенный контроллер мог считывать и регулировать охлаждающий эффект.

В современном мире почти каждое устройство стало цифровой версией самого себя, и в нем должен быть АЦП. Потому что он должен работать в цифровой области, которую можно получить только с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) .

Связанные сообщения: 

Блок-схема, типы и приложения

Почти каждый измеряемый параметр окружающей среды, такой как температура, звук, давление, свет и т. д., представлен в аналоговой форме. Рассмотрим систему мониторинга температуры, в которой сбор, анализ и обработка данных о температуре с датчиков невозможны с помощью цифровых компьютеров и процессоров. Следовательно, этой системе требуется промежуточное устройство для преобразования аналоговых данных о температуре в цифровые данные для связи с цифровыми процессорами, такими как микроконтроллеры и микропроцессоры.Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — это электронная интегральная схема, используемая для преобразования аналоговых сигналов, таких как напряжение, в цифровую или двоичную форму, состоящую из единиц и нулей. Большинство АЦП принимают входное напряжение от 0 до 10 В, от -5 В до +5 В и т. д. и, соответственно, выдают цифровой выход в виде своего рода двоичного числа.


Что такое аналого-цифровой преобразователь?

Преобразователь, который используется для преобразования аналогового сигнала в цифровой, известен как аналого-цифровой преобразователь или преобразователь АЦП.Этот преобразователь представляет собой один из видов интегральной схемы или ИС, который преобразует сигнал непосредственно из непрерывной формы в дискретную форму. Этот преобразователь может быть выражен в АЦП, АЦП, АЦП. Обратная функция ЦАП — не что иное, как АЦП. Символ аналого-цифрового преобразователя показан ниже.

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой можно выполнить несколькими способами. На рынке доступны различные типы микросхем АЦП от разных производителей, например серия ADC08xx. Итак, простой АЦП можно сконструировать с помощью дискретных компонентов.

Основными характеристиками АЦП являются частота дискретизации и разрядность.

  • Частота дискретизации АЦП не что иное, как быстро АЦП может преобразовать сигнал из аналогового в цифровой.
  • Разрешение в битах — это не что иное, как точность, с которой аналого-цифровой преобразователь может преобразовать сигнал из аналогового в цифровой.
Аналого-цифровой преобразователь

Одним из основных преимуществ преобразователя АЦП является высокая скорость сбора данных даже на мультиплексированных входах. С изобретением широкого спектра интегральных схем (ИС) АЦП сбор данных с различных датчиков становится более точным и быстрым.Динамические характеристики высокопроизводительных АЦП включают улучшенную повторяемость измерений, низкое энергопотребление, точную пропускную способность, высокую линейность, превосходное отношение сигнал-шум (SNR) и т.д.

Различные области применения АЦП включают системы измерения и управления, промышленные приборы, системы связи и все другие сенсорные системы. Классификация АЦП на основе таких факторов, как производительность, скорость передачи данных, мощность, стоимость и т. д.

Блок-схема АЦП

Ниже показана блок-схема АЦП, которая включает выборку, хранение, квантование и кодировщик.Процесс ADC может быть выполнен следующим образом.

Во-первых, аналоговый сигнал применяется к первому блоку, а именно к семплу, когда он может быть сэмплирован с точной частотой дискретизации. Амплитудное значение семпла, как и аналоговое значение, может поддерживаться, а также удерживаться во втором блоке, подобно Hold. Удерживаемый образец может быть квантован в дискретное значение через третий блок, подобный квантованию. Наконец, последний блок, подобный энкодеру, изменяет дискретную амплитуду на двоичное число.

В АЦП преобразование сигнала из аналогового в цифровой можно объяснить с помощью приведенной выше блок-схемы.

Образец

В блоке выборки аналоговый сигнал может быть замерен через точный интервал времени. Выборки используются с непрерывной амплитудой и содержат реальное значение, однако они дискретны по времени. При преобразовании сигнала частота дискретизации играет существенную роль. Таким образом, его можно поддерживать с точной скоростью. В зависимости от системных требований частота дискретизации может быть фиксированной.

Удерживать

В АЦП HOLD является вторым блоком и не имеет никакой функции, поскольку просто удерживает амплитуду выборки до взятия следующей выборки. Таким образом, значение удержания не меняется до следующей выборки.

Квантизация

В АЦП это третий блок, который в основном используется для квантования. Основная функция этого заключается в преобразовании амплитуды из непрерывной (аналоговой) в дискретную. Значение непрерывной амплитуды в блоке удержания перемещается по блоку квантования, превращаясь в дискретное по амплитуде.Теперь сигнал будет в цифровой форме, потому что он включает в себя дискретную амплитуду, а также время.

Энкодер

Последний блок АЦП — кодировщик, преобразующий сигнал из цифровой формы в двоичную. Мы знаем, что цифровое устройство работает с использованием двоичных сигналов. Поэтому требуется изменить сигнал с цифрового на двоичный с помощью энкодера. Вот и весь метод преобразования аналогового сигнала в цифровой с помощью АЦП. Время, необходимое для всего преобразования, может быть выполнено в пределах микросекунды.

Процесс аналого-цифрового преобразования

Существует множество способов преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Эти преобразователи находят большее применение в качестве промежуточного устройства для преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую, отображения вывода на ЖК-дисплее через микроконтроллер. Задача аналого-цифрового преобразователя состоит в том, чтобы определить слово выходного сигнала, соответствующее аналоговому сигналу. Теперь мы увидим АЦП 0804. Это 8-битный преобразователь с питанием 5В. Он может принимать только один аналоговый сигнал в качестве входа.

Аналого-цифровой преобразователь для сигнала

Цифровой выход изменяется в диапазоне 0-255. Для работы АЦП нужны часы. Время, необходимое для преобразования аналогового значения в цифровое, зависит от источника тактового сигнала. Внешние часы могут быть подключены к контакту 4 CLK IN. Подходящая RC-цепь подключается между выводами IN и R, чтобы использовать внутренние часы. Контакт 2 является входным контактом. Импульс высокого уровня в низкий переносит данные из внутреннего регистра на выходные контакты после преобразования. Контакт 3 является записью — импульс от низкого до высокого подается на внешние часы.Выводы с 11 по 18 — это выводы данных от MSB до LSB.

Аналого-цифровой преобразователь

производит выборку аналогового сигнала по каждому спаду или нарастанию тактового импульса выборки. В каждом цикле АЦП получает аналоговый сигнал, измеряет его и преобразует в цифровое значение. АЦП преобразует выходные данные в серию цифровых значений, аппроксимируя сигнал с фиксированной точностью.

В АЦП два фактора определяют точность цифрового значения, которое фиксирует исходный аналоговый сигнал. Это уровень квантования или битрейт и частота дискретизации.Для получения выходного сигнала 1 В доступно 3=8 делений. Этот результат 1/8 = 0,125 В называется минимальным изменением или уровнем квантования, представленным для каждого деления как 000 для 0 В, 001 для 0,125 и аналогично до 111 для 1 В. Если мы увеличим скорость передачи данных, например, 6, 8, 12, 14, 16 и т. д., мы получим лучшую точность сигнала. Таким образом, битрейт или квантование дает наименьшее выходное изменение значения аналогового сигнала, возникающее в результате изменения цифрового представления.

Предположим, если сигнал составляет около 0-5 В, и мы использовали 8-битный АЦП, тогда двоичный выход 5 В равен 256.А для 3В это 133 как показано ниже.

Существует абсолютная вероятность искажения входного сигнала на выходе, если он дискретизируется на частоте, отличной от желаемой. Следовательно, еще одним важным аспектом АЦП является частота дискретизации. Теорема Найквиста утверждает, что полученная реконструкция сигнала вносит искажения, если только она не дискретизируется с (минимум) удвоенной частотой наибольшего частотного содержания сигнала, как вы можете наблюдать на диаграмме.Но эта скорость в 5-10 раз превышает максимальную частоту сигнала на практике.

Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя

Коэффициенты

Производительность АЦП можно оценить по ее производительности, основанной на различных факторах. Исходя из этого, ниже поясняются следующие два основных фактора.

SNR (отношение сигнал/шум)

SNR отражает среднее количество бит без шума в любой конкретной выборке.

Полоса пропускания

Полоса пропускания АЦП может быть определена путем оценки частоты дискретизации.Аналоговый источник может производить выборку в секунду для получения дискретных значений.

Типы аналого-цифровых преобразователей

АЦП

доступен в различных типах, и некоторые из типов аналого-цифровых преобразователей включают:

  • Аналого-цифровой преобразователь с двойным наклоном
  • Флэш-аналоговый преобразователь
  • АЦП последовательного приближения
  • Полуфлеш-АЦП
  • Сигма-дельта АЦП
  • Конвейерный АЦП
Аналого-цифровой преобразователь с двойным наклоном

В АЦП этого типа напряжение сравнения генерируется с помощью схемы интегратора, состоящей из резистора, конденсатора и операционного усилителя.n-1, где n — количество битов АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь с двойным наклоном

Когда входное напряжение Vin равно напряжению сигнала, схема управления фиксирует значение счетчика, которое является цифровым значением соответствующего аналогового входного значения. Этот АЦП с двойным наклоном является относительно средней стоимостью и медленным устройством.

Флэш-аналоговый преобразователь

Эта ИС преобразователя АЦП также называется параллельным АЦП, который является наиболее широко используемым эффективным АЦП с точки зрения его скорости.Эта флэш-схема аналого-цифрового преобразователя состоит из ряда компараторов, каждый из которых сравнивает входной сигнал с уникальным эталонным напряжением. На каждом компараторе выход будет иметь высокий уровень, когда аналоговое входное напряжение превышает опорное напряжение. Этот вывод далее передается приоритетному кодеру для генерации двоичного кода на основе входной активности более высокого порядка, игнорируя другие активные входы. Этот тип флэш-памяти является дорогостоящим и высокоскоростным устройством.

Флэш-АЦП
АЦП последовательного приближения

АЦП SAR представляет собой самую современную ИС АЦП и намного быстрее, чем АЦП с двойным наклоном и флэш-памяти, поскольку он использует цифровую логику, которая сводит аналоговое входное напряжение к ближайшему значению.Эта схема состоит из компаратора, выходных защелок, регистра последовательного приближения (SAR) и цифро-аналогового преобразователя.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения

В начале SAR сбрасывается, а при переходе от LOW к HIGH устанавливается старший бит SAR. Затем этот выход подается на цифро-аналоговый преобразователь, который выдает аналоговый эквивалент старшего разряда, далее он сравнивается с аналоговым входом Vin. Если на выходе компаратора низкий уровень, MSB будет очищен SAR, в противном случае MSB будет установлен в следующую позицию.Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут проверены все биты, и после Q0 SAR делает так, чтобы параллельные выходные строки содержали достоверные данные.

Полуфлеш-АЦП

Эти типы аналогово-цифровых преобразователей в основном работают примерно с их предельным размером через два отдельных флэш-преобразователя, где разрешение каждого преобразователя составляет половину битов для устройства с полузакрытым устройством. Емкость одного флэш-преобразователя такова: он обрабатывает MSB (старшие значащие биты), тогда как другой обрабатывает LSB (младшие значащие биты).

Сигма-дельта АЦП
Сигма-дельта АЦП

(ΣΔ) — довольно новая разработка. Они очень медленные по сравнению с другими типами конструкций, однако они предлагают максимальное разрешение для всех типов АЦП. Таким образом, они чрезвычайно совместимы с высококачественными аудиоприложениями, однако обычно их нельзя использовать там, где требуется высокая полоса пропускания (BW).

Конвейерный АЦП
Конвейерные АЦП

также известны как субдиапазонные квантизаторы, которые концептуально связаны с последовательными приближениями, хотя и являются более сложными.В то время как последовательные приближения увеличиваются с каждым шагом, переходя к следующему старшему биту, этот АЦП использует следующий процесс.

  • Используется для грубого преобразования. После этого он оценивает это изменение по отношению к входному сигналу.
  • Этот преобразователь действует как лучшее преобразование, позволяя временно преобразовать диапазон битов.
  • Обычно конвейерные конструкции занимают центральное место среди SAR, а также флэш-аналогово-цифровых преобразователей, уравновешивая размер, скорость и высокое разрешение.

Примеры аналого-цифрового преобразователя

Примеры аналого-цифрового преобразователя обсуждаются ниже.

АЦП0808

ADC0808 — преобразователь с 8 аналоговыми входами и 8 цифровыми выходами. ADC0808 позволяет нам контролировать до 8 различных преобразователей, используя только один чип. Это устраняет необходимость во внешней регулировке нуля и полной шкалы.

ADC0808 IC

ADC0808 представляет собой монолитное КМОП-устройство, обеспечивающее высокую скорость, высокую точность, минимальную зависимость от температуры, превосходную долговременную точность и воспроизводимость, а также потребляет минимальное количество энергии.Эти функции делают это устройство идеально подходящим для приложений от управления технологическими процессами и машинами до потребительских и автомобильных приложений. Схема контактов ADC0808 показана на рисунке ниже:

Особенности

Основные характеристики ADC0808 включают следующее.

  • Простой интерфейс для всех микропроцессоров
  • Настройка нуля или полной шкалы не требуется
  • 8-канальный мультиплексор с адресной логикой
  • Входной диапазон от 0 В до 5 В с одним источником питания 5 В
  • Выходы соответствуют спецификациям уровня напряжения TTL
  • Пакет несущей микросхемы с 28-контактным разъемом

Технические характеристики

Спецификации ADC0808 включают следующее.

  • Разрешение: 8 бит
  • Суммарная нескорректированная ошибка: ±½ LSB и ±1 LSB
  • Однополярное питание: 5 В постоянного тока
  • Низкая мощность: 15 мВт
  • Время преобразования: 100 мкс

Как правило, вход ADC0808, который необходимо преобразовать в цифровую форму, можно выбрать с помощью трех адресных линий A, B, C, которые представляют собой контакты 23, 24 и 25. Размер шага выбирается в зависимости от установленного опорного значения. . Размер шага — это изменение аналогового входа, вызывающее единичное изменение выходного сигнала АЦП.Для работы ADC0808 требуются внешние часы, в отличие от ADC0804, у которого есть внутренние часы.

Непрерывный 8-битный цифровой выход, соответствующий мгновенному значению аналогового входа. Самый крайний уровень входного напряжения должен быть уменьшен пропорционально +5В.

Микросхеме ADC 0808 требуется тактовый сигнал типичной частоты 550 кГц, ADC0808 используется для преобразования данных в цифровую форму, необходимую для микроконтроллера.

Применение ADC0808

ADC0808 имеет множество применений; здесь мы дали некоторое приложение на ADC:

В приведенной ниже схеме контакты синхронизации, запуска и EOC подключены к микроконтроллеру.Как правило, у нас есть 8 входов; здесь мы используем только 4 входа для операции.

ADC0808 Схема
  • Используется датчик температуры LM35, который подключен к первым 4 входам аналого-цифрового преобразователя IC. Датчик имеет 3 контакта, то есть VCC, GND и выходные контакты, когда датчик нагревается, напряжение на выходе увеличивается.
  • Адресные линии A, B, C подключены к микроконтроллеру для команд. При этом прерывание следует за операцией от низкого к высокому.
  • Когда на стартовом выводе поддерживается высокий уровень, преобразование не начинается, но когда на стартовом выводе низкий уровень, преобразование начнется в течение 8 тактов.
  • В момент, когда преобразование завершено, на выводе EOC устанавливается низкий уровень, указывая на завершение преобразования и готовность данных к сбору.
  • Включение выхода (OE) становится высоким. Это включает выходы TRI-STATE, позволяя считывать данные.

АДК0804

Мы уже знаем, что аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются наиболее широко используемыми устройствами для защиты информации для преобразования аналоговых сигналов в цифровые числа, чтобы микроконтроллер мог легко их считывать.Существует множество преобразователей АЦП, таких как ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804 и ADC080. В этой статье мы собираемся обсудить преобразователь ADC0804.

ADC0804

ADC0804 — широко используемый 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Он работает с аналоговым входным напряжением от 0 до 5 В. Он имеет один аналоговый вход и 8 цифровых выходов. Время преобразования является еще одним важным фактором при оценке АЦП, в ADC0804 время преобразования зависит от тактовых сигналов, подаваемых на выводы CLK R и CLK IN, но не может превышать 110 мкс.

Описание контакта ADC804

Контакт 1 : Это контакт выбора микросхемы, активирующий АЦП, активный низкий уровень

Контакт 2: Это входной контакт; Импульс с высокого на низкий переносит данные из внутренних регистров на выходные контакты после преобразования

Контакт 3: Это входной контакт; импульс от низкого до высокого дается для запуска преобразования

Контакт 4: Это входной контакт синхронизации, для передачи внешних часов

Контакт 5: Это выходной контакт, становится низким после завершения преобразования

Контакт 6: Аналоговый неинвертирующий вход

Контакт 7: Аналоговый инвертирующий вход, нормально заземленный

Контакт 8: Земля (0 В)

Контакт 9: Это входной контакт, устанавливает опорное напряжение для аналогового входа

Контакт 10: Земля (0 В)

Контакт 11 – Контакт 18: Это 8-битный цифровой выходной контакт

.

Контакт 19: Используется с контактом Clock IN, когда используется внутренний источник синхронизации

Контакт 20: Напряжение питания; 5В

Характеристики ADC0804

Основные характеристики ADC0804 включают следующее.

  • Диапазон аналогового входного напряжения от 0 В до 5 В с одним источником питания 5 В
  • Совместимость с микроконтроллерами, время доступа 135 нс
  • Простой интерфейс для всех микропроцессоров
  • Логические входы и выходы соответствуют спецификациям уровней напряжения MOS и TTL
  • Работает с опорным напряжением 2,5 В (LM336)
  • Встроенный тактовый генератор
  • Настройка нуля не требуется
  • 0,3 [Prime] 20-контактный DIP-корпус стандартной ширины
  • Работает с отношением метрически или с 5 В постоянного тока, 2.5 В пост. тока или аналоговое напряжение с регулируемой шкалой, ссылка
  • Дифференциальные входы аналогового напряжения

Это 8-битный преобразователь с питанием 5В. Он может принимать только один аналоговый сигнал в качестве входа. Цифровой выход варьируется от 0 до 255. Для работы АЦП нужны часы. Время, необходимое для преобразования аналогового значения в цифровое, зависит от источника тактового сигнала. Внешние часы могут быть подключены к CLK IN. Контакт 2 является входным контактом. Импульс высокого уровня в низкий переносит данные из внутреннего регистра на выходные контакты после преобразования.Контакт 3 является записью — импульс от низкого до высокого подается на внешние часы.

Применение

В простой схеме контакт 1 АЦП подключен к GND, где контакт 4 подключен к GND через конденсатор; выводы 2, 3 и 5 АЦП подключены к контактам 13, 14 и 15 микроконтроллера. Выводы 8 и 10 закорочены и соединены с GND, 19 вывод АЦП подключен к 4-му выводу через резистор 10к. Контакты с 11 по 18 АЦП подключены к контактам с 1 по 8 микроконтроллера, который принадлежит порту 1.

ADC0804 Circuit

Когда на CS и RD подается высокий логический уровень, вход синхронизируется через 8-разрядный сдвиговый регистр, завершая поиск удельной скорости поглощения (SAR) на следующем тактовом импульсе; цифровое слово передается на выход с тремя состояниями.Выход прерывания инвертируется, чтобы обеспечить выход INTR, который имеет высокий уровень во время преобразования и низкий уровень, когда преобразование завершено. Когда низкий уровень присутствует как на CS, так и на RD, выход подается на выходы с DB0 по DB7, и прерывание сбрасывается. Когда входы CS или RD возвращаются в состояние высокого уровня, выходы с DB0 по DB7 отключаются (возвращаются в состояние высокого импеданса). Таким образом, в зависимости от логики напряжение, различное от 0 до 5В, которое преобразуется в цифровое значение 8-битного разрешения, подается на вход порта 1 микроконтроллера.

ADC0804 Компонент Используемые проекты
ADC0808 Компонент Используемые проекты

Тестирование АЦП

Для тестирования аналого-цифрового преобразователя в основном требуется источник аналогового ввода, а также оборудование для передачи сигналов управления, а также для сбора цифровых данных o/p. Некоторым типам АЦП требуется точный источник опорного сигнала. АЦП можно протестировать, используя следующие ключевые параметры

.
  • Ошибка смещения постоянного тока
  • Рассеиваемая мощность
  • Ошибка усиления постоянного тока
  • Побочный свободный динамический диапазон
  • SNR (отношение сигнал/шум)
  • INL или интегральная нелинейность
  • DNL или дифференциальная нелинейность
  • THD или полное гармоническое искажение

Тестирование АЦП или аналого-цифровых преобразователей в основном проводится по нескольким причинам.Помимо этого, общество IEEE Instrumentation & Measurement, комитет по генерации и анализу сигналов разработали стандарт IEEE для АЦП для терминологии и методов тестирования. Существуют различные общие настройки тестирования, которые включают синусоидальную волну, произвольную форму волны, ступенчатую форму волны и петлю обратной связи. Чтобы определить стабильную работу аналого-цифровых преобразователей, используются различные методы, такие как сервопривод, линейный метод, метод гистограммы переменного тока, метод треугольной гистограммы и физический метод.Одним из методов, который используется для динамического тестирования, является тест синусоидальной волны.

Применение аналого-цифрового преобразователя

Приложения ADC включают следующее.

  • В настоящее время увеличивается использование цифровых устройств. Эти устройства работают на основе цифрового сигнала. Аналого-цифровой преобразователь играет ключевую роль в таких устройствах для преобразования сигнала из аналогового в цифровой. Применения аналого-цифровых преобразователей безграничны, что обсуждается ниже.
  • AC (кондиционер) включает датчики температуры для поддержания температуры в помещении. Таким образом, это преобразование температуры может быть выполнено из аналогового в цифровое с помощью АЦП.
  • Он также используется в цифровом осциллографе для преобразования сигнала из аналогового в цифровой для отображения.
  • АЦП
  • используется для преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой в мобильных телефонах, потому что мобильные телефоны используют цифровые речевые сигналы, но на самом деле речевой сигнал имеет аналоговую форму.Таким образом, АЦП используется для преобразования сигнала перед отправкой сигнала на передатчик сотового телефона.
  • ADC используется в медицинских устройствах, таких как МРТ и рентгеновские аппараты, для преобразования изображений из аналоговых в цифровые перед их изменением.
  • Камера мобильного телефона в основном используется для съемки изображений и видео. Они хранятся в цифровом устройстве, поэтому они преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП.
  • Кассетная музыка также может быть преобразована в цифровую, например, CDS и флэш-накопители используют ADC.
  • В настоящее время АЦП используется в каждом устройстве, поскольку почти все устройства, доступные на рынке, имеют цифровую версию. Итак, эти устройства используют АЦП.

Итак, это обзор аналого-цифрового преобразователя или преобразователя АЦП и их типов. Для облегчения понимания в этой статье обсуждаются только несколько преобразователей АЦП. Мы надеемся, что этот предоставленный контент будет более информативным для читателей. Любые дополнительные вопросы, сомнения и техническую помощь по этой теме вы можете прокомментировать ниже.

Фото:

Блок-схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

, работа

АЦП

или аналого-цифровой преобразователь — это электронное устройство или схема, которая используется для преобразования непрерывного аналогового электронного или электрического сигнала в дискретный цифровой сигнал. Мы знаем, что когда физические величины, такие как звук, поток, температура и т. д., преобразуются в электрический или электронный сигнал, он генерируется в форме аналогового сигнала. Но наш процессор работает только с цифровыми сигналами.Даже есть так много преимуществ цифрового сигнала по аналоговому сигналу. Итак, нам нужно преобразовать аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Аналого-цифровой преобразователь или АЦП широко применяется в электронных схемах, таких как телекоммуникационные схемы, схемы автоматизации, измерительные схемы и т. д. или аналого-цифровой преобразователь.

Основными блоками или частями являются:

Сэмплер

Сэмплер представляет собой схему, которая берет выборки из непрерывного аналогового сигнала в соответствии с его частотой выборки.Частота дискретизации устанавливается в соответствии с требованиями. По сути, сэмплер преобразует сигнал непрерывной амплитуды с непрерывной амплитудой в непрерывный сигнал с дискретной амплитудой по времени.

Цепь хранения

Схема хранения ничего не преобразует, а просто хранит сэмплы, сгенерированные схемой семплера. Он удерживает первый образец до тех пор, пока из семплера не придет следующий образец. Как только новый образец поступает из пробоотборника в схему хранения, старый образец передается в следующий блок.

Квантизатор

Квантизатор квантует сигнал, что означает, что он преобразует непрерывный сигнал с дискретной амплитудой и временем в дискретный сигнал с дискретной амплитудой по времени. Он ломает или разделяет образцы на мелкие части.

Энкодер

Энкодер — это схема, которая фактически преобразует цифровой сигнал в двоичную форму. Выход кодера подается на следующую схему. Здесь конец аналого-цифровой схемы.

Как работает аналого-цифровой преобразователь (АЦП)?

Принцип работы аналого-цифрового преобразователя очень прост.Сначала входной аналоговый сигнал подается на схему дискретизатора. Схема дискретизатора берет выборки из аналогового сигнала относительно дискретного времени с помощью частоты выборки. Теперь образцы некоторое время удерживаются в удерживающем контуре. После схемы удержания схема квантователя получает сигнал от схемы удержания и квантует сигнал. После того, как квантованный сигнал подается на схему энкодера, фактически формируется цифровой сигнал в двоичной форме.

Это была основная концепция аналого-цифрового преобразования.В процессе аналого-цифрового преобразования учитывается так много факторов. Например, очень важным фактором является Разрешение. Для аналоговых сигналов нет максимального или минимального значения, что означает, что амплитуда сигнала может достигать бесконечного значения. С другой стороны, для цифрового сигнала определяются максимальное и минимальное значение. Когда амплитуда достигает или пересекает определенный уровень напряжения, она считается высокой, а когда амплитуда становится низкой при определенном уровне напряжения, она считается низкой.Но идеальный цифровой сигнал имеет нулевую амплитуду, когда он низкий или двоичный 0, и амплитуда будет максимальной, когда он высокий или двоичный 1. продолжайте посещать для получения дополнительных обновлений.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой интегральную схему, которая помогает преобразовывать аналоговый сигнал в цифровую форму. В этом посте мы обсудим, что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП), его различные типы, принципы работы, области применения, преимущества и недостатки.

Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в основном преобразует физические переменные, которые являются аналоговыми по своей природе, в цифровой сигнал для обработки. Они имеют высокую эффективность преобразования и требуют меньше энергии. Примеры физических переменных включают звуковые сигналы, температуру, давление и т. д.

Рис. 1. Введение в аналого-цифровой преобразователь

входное напряжение или уровень тока.

Рис. 2 — Принципиальная схема ADC

Типы аналогового к цифровому преобразователю

Различные типы аналоговых к цифровым преобразователям (ADC):

  • Flash ADC
  • Трубопроводы ADC
  • Сигма-дельта АЦП
  • АЦП последовательного приближения

Флэш-АЦП

Флэш-АЦП работает быстрее всех других АЦП. Следовательно, Flash ADC используются в приложениях, требующих высокой скорости и широкой полосы пропускания.Он также известен как параллельный АЦП.

На рис. 3 ниже показана блок-схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП), где аналоговый вход подключен ко всем компараторам, так что выход генерируется одновременно. Опорное напряжение (Vref) подается на компаратор через внешний источник. Цифровой выход с компараторов действует как вход для энкодера. Кодер преобразует код из компаратора в двоичный код.

Рис. 3 – Блок-схема флэш-АЦП

Конвейерный АЦП

Конвейерный аналого-цифровой преобразователь разработан с использованием двух или более флэш-АЦП низкого разрешения.Архитектура разделена на несколько этапов, каждый из которых состоит из схемы выборки и удержания. Эта схема производит выборку аналогового сигнала и удерживает выбранное значение в течение короткого интервала времени. Этот сигнал подается на Flash ADC для получения двоичного выхода. Сгенерированные двоичные выходные данные каждой ступени выравниваются по времени (по конвейеру) со сдвиговым регистром, а затем подвергаются обнаружению и исправлению ошибок с использованием логики исправления цифровых ошибок для получения окончательного двоичного вывода.

Рис.4 – Блок-схема конвейерного АЦП

Сигма-дельта АЦП

Архитектура сигма-дельта (Σ-Δ) преобразователей, также называемых преобразователями передискретизации, довольно проста. Рассмотрим рис. 5. Он состоит из двух основных блоков, а именно:

  • Сигма-дельта модулятор
  • Цифровой фильтр
Сигма-дельта модулятор

Этот блок состоит из интегратора, компаратора и одноразрядного ЦАП.

Цифровой фильтр

Выход сигма-дельта модулятора действует как вход для этого блока.Цифровой фильтр, как следует из названия, фильтрует данные и преобразует их в двоичный код.

Рис. 5 – Блок-схема сигма-дельта АЦП

АЦП последовательного приближения

Аналого-цифровой преобразователь этого типа включает алгоритм последовательного приближения для преобразования аналогового входа в цифровой двоичный код. На рис. 6 показана блок-схема АЦП последовательного приближения, состоящего из компаратора, SAR (регистра последовательного приближения), схемы выборки и хранения и ЦАП.

Рис. 6 – Блок-схема АЦП последовательного приближения

Как работает аналого-цифровой преобразователь

Чтобы понять принцип работы аналого-цифрового преобразователя, давайте рассмотрим рис. 7 ниже. Это схематическое представление аналого-цифрового преобразователя с последовательным приближением, который состоит из компаратора, регистра SAR, схемы выборки и хранения (S / H), часов, n-битного ЦАП. Регистр SAR включен в алгоритм двоичного поиска.

Рис. 7 – Схематическое представление АЦП последовательного приближения

Значение регистра устанавливается изначально, т.е. MSB (старший значащий бит) устанавливается на «1», а все остальные биты устанавливаются на «0». . Входное напряжение V в и часы применяются, а V ref является опорным напряжением ЦАП. При подаче напряжения и тактового сигнала выход ЦАП (V ЦАП ) становится равным половине опорного напряжения (V ref ).Входное напряжение V в сравнивается с V DAC Компаратором.

Выход компаратора будет установлен в «1», если V в больше, чем V DAC . MSB, который был установлен изначально, остается прежним, то есть равным «1». Выход компаратора становится «0», если входное напряжение V в меньше, чем V DAC . Логика управления регистром установит MSB в «0», а следующий бит будет установлен в «1».Этот процесс сравнения продолжается до тех пор, пока LSB и n-битный цифровой вывод не будут сгенерированы и сохранены в регистре.

Давайте понять операцию 5-битных АЦП, где V в = 0,6 В и V Ref

3 = 1V

Приложения ADC

Есть несколько приложений Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), некоторые из которых перечислены ниже:

  • Они используются в аудио/видео устройствах.
  • Используются в сотовых телефонах.
  • Они используются в цифровых мультиметрах, ПЛК (программирование логических контроллеров).
  • Используются в радиолокационной обработке, цифровых осциллографах.
  • Они широко используются в датчиках изображения CMOS для мобильных приложений.
  • Они используются в медицинских приборах и медицинской визуализации.

Преимущества АЦП

К преимуществам аналого-цифрового преобразователя относятся:

  • Флэш-АЦП являются самыми быстрыми по сравнению с другими аналого-цифровыми преобразователями.
  • По сравнению с другими преобразователями сигма-дельта АЦП обеспечивают высокое разрешение при низкой стоимости.
  • АЦП последовательного приближения работают с высокой скоростью и более надежны.
  • Сигма-дельта АЦП обладают более высокой способностью формирования шума, а также обеспечивают высокое разрешение.
  • Конвейерные АЦП также обеспечивают высокое разрешение при высокой скорости.

Недостатки АЦП

Недостатки АЦП:

  • Сложность схемы увеличивается с увеличением использования компараторов во флэш-АЦП.
  • Флэш-АЦП стоят дорого.
  • Преобразование непериодических сигналов с помощью конвейерных АЦП может быть затруднено, поскольку обычно оно выполняется с периодической скоростью.
  • Конвейерные АЦП чувствительны к компоновке платы.
  • Конвейерная задержка входного сигнала возникает в конвейерных АЦП, что приводит к нелинейности таких параметров, как смещение и усиление.
  • Преобразователи последовательного приближения, используемые для более высокого разрешения, будут работать медленнее.
  Читайте также:
Что такое цифровой вольтметр - как он работает, типы, области применения, преимущества
Цифровая связь — введение, основные компоненты, принцип работы и преимущества обработки сигналов 
 Инструментальный усилитель  — принцип работы, применение, преимущества
  

Аналого-цифровое преобразование (АЦП)

Процесс преобразования аналогового напряжения в эквивалентный цифровой сигнал известен как аналого-цифровое (АЦП) преобразование.Хотя чисто аналоговая система обладает большей точностью, чем цифровая, ее точность редко можно использовать полностью, потому что она представлена ​​в форме, которую невозможно прочитать, записать или интерпретировать с такой высокой точностью. Вот почему чистые аналоговые данные преобразуются в цифровую форму. Однако цифровые данные легко представляются в числовой форме, ими легко манипулировать, обрабатывать, хранить и записывать.

Большое разнообразие АЦП было создано для удовлетворения широкого спектра требований.В некоторых приложениях доминирующими параметрами являются точность и стабильность преобразования, в других наибольшее значение имеет скорость преобразования. Существуют различные типы аналого-цифровых преобразователей. Некоторые из них приведены ниже:

  1. АЦП со счетчиком
  2. АЦП с последовательным приближением

АЦП со счетчиком

На рисунке 1 показана блок-схема АЦП со счетчиком. Как показано, он содержит на входе компаратора напряжения тактовый генератор, вентиль и n-разрядный счетчик.

Для начала счетчик сбрасывается на все 0. Затем на старт-ле появляется преобразованный сигнал, входной вентиль ВКЛЮЧАЕТСЯ и на тактовый вход счетчика подаются тактовые импульсы. Счетчик выполняет свою обычную двоичную последовательность счета, сигнал лестничной диаграммы генерируется на выходе двоичной лестничной диаграммы, составляющей ЦАП. Этот ступенчатый сигнал формирует один из входов компаратора, другим входом которого является аналоговый входной сигнал. Всякий раз, когда выход двоичной релейной схемы превышает напряжение аналогового входа, компаратор меняет состояние, логический элемент ОТКЛЮЧАЕТСЯ и счетчик останавливается.В этом случае выход счетчика является требуемым цифровым выходом, соответствующим аналоговому входному сигналу.

Рис. 1. Блок-схема АЦП со счетчиком

АЦП со счетчиком обеспечивает очень хороший метод оцифровки с высоким разрешением. Этот метод намного проще, чем синхронный метод для высокого разрешения, но требуемое время преобразования больше. Поскольку счетчик всегда начинается с нуля и считает в своей обычной двоичной последовательности, для завершения преобразования может потребоваться до 2 n отсчетов.Среднее время преобразования составляет 2 n /2 или 2 n-1 отсчетов, где n — количество разрядов счетчика.

Метод последовательного приближения

АЦП последовательного приближения намного быстрее, чем АЦП счетчика. В n-разрядном преобразователе АЦП счетчикового типа в среднем потребовало бы 2 n +1 тактовых циклов для каждого преобразования, тогда как преобразование типа последовательного приближения требует только n тактовых циклов,

. На рис. 2 показана блок-диаграмма последовательного преобразования. приблизительный АЦП, работа заключается в следующем.

Рабочий

Выходной сигнал ЦАП изначально запрограммирован на низкий уровень, затем ЦАП обнуляется. Выходной бит MSB цифро-аналогового преобразователя становится высоким, и компаратор обнаруживает изменение состояния. Если изменение происходит, выходной сигнал MSB от цифро-аналогового преобразователя возвращается к низкому уровню, поскольку выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя было больше, чем входное напряжение, если не происходит никаких изменений, выходной сигнал MSB остается высоким.

Рисунок 2: Приблизительная последовательная принципиальная схема АЦП

Следующий младший выходной бит ЦАП становится высоким, и компаратор обнаруживает изменение состояния.Если происходит изменение, бит возвращается к низкому уровню, так как новое выходное напряжение ЦАП было больше, чем входное напряжение. Этот процесс изменения следующего младшего выходного бита ЦАП и обнаружения изменения компаратора продолжается через младший разряд ЦАП.

Когда процесс завершен, конечные выходные состояния ЦАП представляют собой цифровой эквивалент шага чуть ниже фактической величины входного напряжения. В целом требуется максимум всего 2 n импульсов для завершения всего аналого-цифрового преобразования.

Технические характеристики

Основными характеристиками АЦП являются разрешение, точность и скорость.

Разрешение

Разрешение для АЦП определяется как изменение аналогового входного напряжения для получения изменения выходного сигнала на один бит. Разрешение АЦП задается как

Разрешение = (E / (2 n — 1) X 100%)

Точность

Точность определяется как разница между цифровыми выходными значениями и аналоговыми входными значениями АЦП. .

Скорость

Скорость в преобразователях является еще одной важной характеристикой. В преобразователях АЦП скорость — это время, за которое выполняется одно преобразование.

Введение в аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Существует множество различных реализаций аналого-цифрового преобразователя или АЦП. В данной статье представлен обзор основных типов, их характеристик и ограничений.

Опубликовано

Почти все микроконтроллеры имеют встроенный АЦП.Они есть даже у небольших Arduino, основанных на семействе AVR ATMega. В последнем разделе этой статьи рассматриваются некоторые проблемы, о которых следует помнить при использовании таких АЦП. Но сначала мы рассмотрим основы аналого-цифрового преобразования.

Основы аналого-цифрового преобразования

АЦП представлен символом на рисунке 1. Он просто показывает аналоговый вход и эквивалентный ему цифровой выход. Показанный пример представляет собой N-разрядный АЦП. N обычно имеет значение от 6 до 24, обычно это 8, 10, 12 или 16.

Вход представляет собой напряжение в диапазоне от 0 до некоторого максимального значения, которое зависит от фактического АЦП. Учитывая, что с N-битами может быть 2 N возможных цифровых значений, тогда значение, представленное одним битом, равно (V ADCMAX / 2 N ).

Например, если максимальное входное значение данного АЦП составляет 5,0 В, а АЦП имеет 10-разрядный тип, то каждый бит представляет (5 В / 2 10 ), 5,00 / 1024 или приблизительно 4,89 мВ. Итак, этот конкретный АЦП имеет разрешение или шаг квантования, равный 4.89 мВ. В этом ее абсолютное теоретическое разрешение.

В данном конкретном случае сигнал не может быть разрешен с разрешением лучше, чем ± (4,89 мВ/2). Этот предел называется ошибкой квантования, и все АЦП, даже совершенные АЦП, имеют ошибки квантования в определенной степени, в зависимости от разрешения АЦП.

Практические АЦП имеют еще больше источников ошибок. Две такие ошибки: дифференциальная нелинейность, или DNL, ​​и интегральная нелинейность, или INL, ошибки. Это необходимо учитывать при выборе АЦП для конкретного приложения.

Ошибки DNL

возникают, когда выходной сигнал АЦП не изменяется, когда должен был измениться. Например, предположим, что текущий выходной код равен 01101100 для данного входа и что входное значение увеличивается на половину шага квантования. Тогда код должен быть 01101100 + 1 бит или 01101101.

Обратное также может произойти, когда входное напряжение ниже текущего входного напряжения. Иногда этого не происходит по разным причинам. В этом случае говорят, что АЦП имеет ошибку DNL ±1 бит.

Ошибки INL возникают, если уровни квантования распределены неравномерно по всему входному диапазону. Например, скажем, конкретный АЦП имеет разрешение 12 бит или 4096 отсчетов и опорное напряжение 4,096 В. Каждый бит соответствует точно 1000 мВ изменения входного напряжения.

Итак, входное напряжение 4096 мВ должно давать на выходе 1111 1111 1111 или 0xFFF. Для некоторых АЦП входное напряжение 4095 мВ или даже 4094 мВ по-прежнему будет давать на цифровом выходе значение 0xFFF. Случилось так, что во всем диапазоне входных данных значение 1-бита изменилось очень незначительно, скажем, на 1.001 мВ или 0,999 мВ. Накопленная ошибка приводила к полномасштабной ошибке в один или два бита точности.

Как будет видно позже, существует множество внешних факторов, которые еще больше ухудшают точность выходного сигнала АЦП.


Рисунок 1 – Схематическое изображение АЦП

Реализация АЦП

Существует множество способов реализации АЦП. В следующих нескольких разделах представлены некоторые из наиболее распространенных. Чтобы эта статья была относительно короткой, даны только простые и несколько неполные описания каждой такой реализации.

Одинарный и двойной наклон Интеграция ADC

Блок-схема однофазного АЦП показана на рисунке 2. Основные операции очень просты. Конденсатор заряжается от входного источника до тех пор, пока его напряжение не достигнет V Ref , после чего отключается компаратор. Во время зарядки также вел подсчет цифровой счетчик, питаемый от часов. Он прекращает считать, когда отключается компаратор, и в этот момент достигнутый счет является представлением аналогового входа.

Рисунок 2 – Блок-схема интегрированного АЦП с одним наклоном

Одним из наиболее распространенных вариантов этого метода является АЦП интегрирования с двумя наклонами.В нем затем конденсатор разряжается, а значение счетчика усредняется. Этот метод уменьшает эффект диэлектрической абсорбции, эффект, который может вызвать ошибки в показаниях АЦП, в интегрирующем конденсаторе.

Этот тип АЦП является точным, но очень медленным; он в основном используется, например, в мультиметрах, где точность важнее скорости.

Сигма-дельта Σ-∆ АЦП

Блок-схема сигма-дельта, или Σ-∆, АЦП показана на рис. 3. Начиная со стороны входа дифференциальный усилитель выдает на выходе разность между V в и выходом ЦАП.

1-битный ЦАП имеет выход, который может принимать одно из двух значений: -V Ref или +V Ref . Интегратор в этом случае лучше всего рассматривать как скользящее среднее предыдущего значения и текущего входного значения.

Итак, для начала предположим, что V в фиксируется на чуть-чуть выше 0 В, так что компаратор срабатывает. Его значение будет высоким, или 1. Выход ЦАП тогда будет +V Ref . В следующем раунде это значение будет вычтено из текущего значения V в .Выход интегратора теперь будет равен –V ref , так как предыдущее значение было 0V. На выходе компаратора теперь будет 0, а на выходе ЦАП — V Ref .

В следующей выборке выходной сигнал интегратора будет равен 0, поскольку предыдущее значение было равно –V Ref , а разностный усилитель фактически вычел -V Ref и, таким образом, добавил V Ref к V в . Таким образом, на выходе компаратора будет 1,

.

Этот процесс продолжается, и поэтому на выходе компаратора будет постоянный поток 101010… для V в 0 В.Помня, что логическая 1 означает V Ref , а 0 означает -V Ref , тогда, если взять и усреднить N отсчетов, легко увидеть, что среднее значение будет 0V. Блок обработки после компаратора просто выводит это как одно значение 0000… при условии, что эталон (V Ref – -V Ref ) или 2 x V Ref .

Теперь предположим, что V в равно 1 В, а это АЦП 5 В; ±В Ref составляет ±2,5 В. Выполнив те же шаги, что и раньше, на выходе будет: 1011101… Получается 1.07В.

Однако, чем больше выборок, тем выше точность, и значение приближается к 1,00 В. Таким образом, сигма-дельта требует много выборок для получения одного результата. Другими словами, входной сигнал должен быть передискретизирован, чтобы уменьшить ошибки преобразования АЦП.

Сигма-дельта АЦП

обычно используются для оцифровки аудиосигналов и в качестве АЦП в некоторых микроконтроллерах.

Рисунок 3 – Блок-схема сигма-дельта АЦП

Флэш-АЦП

Работа флэш-АЦП, пожалуй, самая простая для понимания.На рис. 4 показана блок-схема флэш-АЦП. Это просто множество компараторов, на каждый из которых подается опорное напряжение, которое на один бит выше, чем предыдущее. Так, для 8-разрядного АЦП необходимо 256 таких компараторов; для 10-битного нужно 1024.

Преобразователь флэш-памяти работает быстро. Он напрямую преобразует ввод без какой-либо выборки или тяжелой постобработки. Проблема в том, что для этого требуется много компараторов, и что многие компараторы занимают много кремниевой недвижимости на кристалле.Таким образом, флэш-АЦП используется только тогда, когда требуется чрезвычайно высокая скорость, недостижимая с помощью других методов реализации АЦП.

То, что только что было описано, на самом деле известно как АЦП с полной флэш-памятью. Одним из часто используемых вариантов является полуфлэш-АЦП. Он использует двухэтапный процесс, чтобы вдвое сократить количество преобразователей, необходимых в фактической цепочке преобразования.

Сначала входной сигнал сравнивается с уровнем, равным половине V Ref . Если оно меньше, то старший бит MSb устанавливается в 0, и вход подается на цепочку компаратора с опорным напряжением, установленным на V Ref /2, чтобы фактически получить оставшиеся биты.

Если входной сигнал выше, чем V Ref /2, MSb устанавливается равным 1, V Ref /2 вычитается из входного сигнала. Это можно сделать, например, сместив нижний конец эталонных резисторов на +V Ref /2.

Цепочка компараторов снова используется для получения оставшихся битов. Таким образом, по сути, это использует половину количества компараторов полной флэш-памяти за счет одного дополнительного сравнения. Этот метод также может быть расширен, например, для АЦП с четвертью флэш-памяти.

Рисунок 4 – АЦП с полной флэш-памятью

Регистр последовательного приближения (SAR)

Это метод АЦП, который чаще всего используется в среднескоростных АЦП. Блок-схема АЦП последовательного приближения показана на рис. 5. Работа последовательного последовательного повторителя является ключом к этому АЦП. Изначально он установлен на среднюю точку диапазона ЦАП.

Выходной сигнал компаратора будет либо высоким, либо низким, в зависимости от того, был ли входной сигнал выше или ниже выходного уровня ЦАП.

Теперь вход находится либо в верхней, либо в нижней половине диапазона ЦАП.ЦАП теперь установлен на среднюю точку верхней или нижней половины правильного диапазона ЦАП, где находится вход, эффективно уменьшая этот диапазон до одной четверти всего диапазона.

Этот процесс повторяется, последовательно сужая диапазон, в котором находятся входные данные, пока не будет достигнуто правильное значение.

Другой способ взглянуть на это — сказать, что после первой итерации MSbit входа будет известен, и он равен 0 или 1 в зависимости от того, был ли выход компаратора низким или высоким.После следующей итерации будет известен следующий MSbit. Процесс повторяется до тех пор, пока не станут известны все выходные биты.

Одна вещь, которая не была упомянута, это блок Track and Hold, или T&H. Итеративный процесс будет нарушен, если входное значение изменится в процессе преобразования АЦП. Блок T&H просто фиксирует входное значение в начале преобразования и удерживает это значение в течение всего преобразования.

Это показано на рис. 6. Выход T&H сохраняет значение входного сигнала в точке, где он был запущен, независимо от того, что делает входной сигнал впоследствии.После завершения преобразования T&H снова вернется к отслеживанию входного сигнала.

АЦП последовательного приближения является наиболее широко используемым АЦП и входит во встроенные АЦП большинства микроконтроллеров. Некоторые используют сигма-дельта АЦП, но большинство имеют АЦП последовательного приближения.

Рисунок 5 – Блок-схема АЦП SAR

 

Рисунок 6 – Блок-схема T&H

АЦП микроконтроллера

Почти все микроконтроллеры имеют встроенные АЦП, большинство из которых имеют мультиплексированные входы.Для эффективного использования следует учитывать их ограничения.

Прежде всего, исходя из того, что было рассмотрено до сих пор, должно быть очевидно, что входной сигнал не может иметь диапазон, превышающий АЦП V Ref , и необходимо соблюдать пределы скорости преобразования АЦП.

Например, максимальная скорость преобразования АЦП Arduino Uno составляет менее 10 кГц. Таким образом, с помощью этого АЦП просто невозможно сэмплировать полный звук с полосой пропускания от 20 Гц до 20 кГц.

Все проблемы с АЦП на основе микроконтроллеров сводятся к тому факту, что микроконтроллеры являются КМОП-устройствами, а кремниевый процесс, используемый для производства микроконтроллеров, не совсем совместим с реализацией блоков аналоговых схем.

Таким образом, в ЦАП и компараторах, например, не используются прецизионные резисторы, потому что их очень сложно реализовать в кремниевой технологии CMOS. Вместо этого они используют функционально эквивалентную конструкцию, в которой используются конденсаторы. Конечным результатом является то, что вход АЦП микроконтроллера имеет относительно низкий импеданс, который также является емкостным.

Более того, входное сопротивление несколько изменяется в процессе преобразования. Все это означает, что если выходное сопротивление источника высокое, то АЦП склонен давать далекие результаты преобразования.Рисунок 7 иллюстрирует это положение на примере.

В этом примере АЦП используется для считывания напряжения батареи 6 В. Чтобы не чрезмерно разряжать аккумулятор, резисторы R1 и R2 выбраны равными 20 кОм, чтобы на входе АЦП было 3,0 В при напряжении аккумулятора 6 В. АЦП имеет V Ref на 3,3 В; так что все должно работать нормально.

Однако типичный АЦП микроконтроллера имеет входное сопротивление около 10 кОм и, как видно, подключен параллельно резистору R2. Это вызовет очень большую ошибку в показаниях напряжения батареи.Решением в этом случае было бы наличие внешнего буфера, управляющего входом АЦП.

Рисунок 7 – Иллюстрация влияния входного импеданса АЦП

Последнее, что следует учитывать при использовании АЦП микроконтроллера, — это ссылка на АЦП. В некоторых микроконтроллерах это просто VDD микроконтроллера.

Конечно, микроконтроллер VDD является производным от стабилизатора напряжения, но между стабилизатором напряжения и надлежащим опорным напряжением есть большая разница.

Это может привести к потере точности как минимум на два бита. Из-за этого 12-разрядный АЦП микроконтроллера теперь больше похож на 10-разрядный АЦП, и это не считая вклада ошибок DNL и INL.

Суть в том, чтобы знать об этих ограничениях и определить, подходит ли АЦП микроконтроллера для приложения.

Другой контент, который может вам понравиться:

Аналого-цифровой преобразователь | Electrical4U

Из самого названия понятно, что это преобразователь, который преобразует аналоговый (плавно изменяющийся) сигнал в цифровой сигнал.Это действительно электронная интегральная схема, которая напрямую преобразует непрерывную форму сигнала в дискретную форму. Это может быть выражено как A/D или A-to-D или A-D или ADC. Вход (аналог) этой системы может иметь любое значение в диапазоне и непосредственно измеряться. Но для выхода (цифрового) N-битного аналого-цифрового преобразователя он должен иметь только 2 N дискретных значений. Этот аналого-цифровой преобразователь является связующим звеном между аналоговым (линейным) миром преобразователей и дискретным миром обработки сигнала и обработки данных.Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратную функцию АЦП. Схематическое изображение АЦП показано ниже.

Процесс АЦП

В основном процесс преобразования состоит из двух этапов.

  • Выборка и хранение
  • Квантование и кодирование

Весь процесс преобразования АЦП показан на рисунке 2.

Выборка и хранение

сигнал будет сэмплирован и зафиксирован (удержан) значение на постоянном уровне в течение определенного наименьшего периода времени.Это делается для устранения изменений входного сигнала, которые могут изменить процесс преобразования, и тем самым повысить точность. Минимальная частота дискретизации должна в два раза превышать максимальную частоту данных входного сигнала.

Квантование и кодирование

Для понимания квантования мы можем сначала рассмотреть термин Разрешение, используемый в АЦП. Это наименьшее изменение аналогового сигнала, которое приведет к изменению цифрового выхода. Фактически это представляет собой ошибку квантования.

В → диапазон опорного напряжения
2 N → количество состояний
N → количество битов на цифровом выходе

Квантование: это процесс, в котором опорный сигнал разделяется на несколько дискретных квантов, а затем входной сигнал соответствует правильному кванту.

Кодировка: Здесь; каждому кванту будет присвоен уникальный цифровой код и после этого входной сигнал будет выделен этим цифровым кодом. Процесс квантования и кодирования показан в таблице ниже.

Из приведенной выше таблицы видно, что для представления всего диапазона напряжения в интервале используется только одно цифровое значение. Таким образом, произойдет ошибка, и она называется ошибкой квантования. Это шум, вносимый процессом квантования. Здесь максимальная ошибка квантования равна

Повышение точности АЦП

Для повышения точности АЦП используются два важных метода. Они заключаются в увеличении разрешения и увеличении частоты дискретизации.Это показано на рисунке ниже (рисунок 3).

Типы аналого-цифрового преобразователя

  • АЦП последовательного приближения: Этот преобразователь сравнивает входной сигнал с выходным сигналом внутреннего ЦАП на каждом последующем шаге. Это самый дорогой вид.
  • Двухтактный АЦП: Обладает высокой точностью, но очень медленный в работе.
  • Конвейерный АЦП: Такой же, как у двухступенчатого флэш-АЦП.
  • Дельта-сигма АЦП: Он имеет высокое разрешение, но медленный из-за избыточной выборки.

0 comments on “Структурная схема ацп: Ацп структурная схема

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.