Устройства регистрации и представления информации

Быстродействие АЦП данного  типа определяется суммой времени установления t_уст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора t_к и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_з. Сумма t_к + t_з является величиной постоянной, а t_уст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации f_такт возможно уменьшение времени преобразования t_пр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время  равно времени между началом  и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП  последовательного счета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.

Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности  между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

 

4.3 Интегрирующие  АЦП

 

Недостатком рассмотренных  выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов  преобразования. Действительно, выборка  мгновенного значения входного напряжения, обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке последовательности выборок эта составляющая может  быть подавлена, однако на это требуется  время и вычислительные ресурсы. В АЦП, рассмотренных ниже, входной  сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временнoм интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.

 

4.3.1 АЦП многотактного интегрирования

 
Упрощенная схема АЦП, работающего  в два основных такта (АЦП двухтактного интегрирования), приведена на рис. 10.

 

Преобразование проходит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета. В начале первой стадии ключ S₁ замкнут, а ключ S₂ разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение U_вх. Время интегрирования входного напряжения t₁ постоянно; в качестве таймера используется счетчик с коэффициентом пересчета K_сч, так что

 

 
 
К моменту окончания интегрирования выходное напряжение интегратора составляет (7)

где U_вх.ср. - среднее за время t₁ входное напряжение. После окончания стадии интегрирования ключ S₁ размыкается, а ключ S₂ замыкается и опорное напряжение U_оп поступает на вход интегратора. При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению. На стадии счета выходное напряжение интегратора линейно

 
уменьшается по абсолютной величине, как  показано на рис. 11.

 

 
Стадия счета заканчивается, когда  выходное напряжение интегратора переходит  через нуль. При этом компаратор К переключается и счет останавливается. Интервал времени, в котором проходит стадия счета, определяется уравнением

 

 

Подставив значение U_и(t₁) из (7) в (8) с учетом того, что (9)

где n₂ - содержимое счетчика после окончания стадии счета, получим результат (10)

Из этой формулы следует, что отличительной особенностью метода многотактного интегрирования является то, что ни тактовая частота, ни постоянная интегрирования RC не влияют на результат. Необходимо только потребовать, чтобы тактовая частота в течение времени t₁+t₂оставалась постоянной. Это можно обеспечить при использовании простого тактового генератора, поскольку существенные временные или температурные дрейфы частоты происходят за время несопоставимо большее, чем время преобразования.

При выводе выражений (6)...(10) мы видели, что в окончательный  результат входят не мгновенные значения преобразуемого напряжения, а только значения, усредненные за время t₁. Поэтому переменное напряжение ослабляется тем сильнее, чем выше его частота.

Определим коэффициент передачи помехи Кп для АЦП двухтактного интегрирования. Пусть на вход интегратора поступает гармонический сигнал единичной амплитуды частотой f с произвольной начальной фазой j. Среднее значение этого сигнала за время интегрирования t₁ равно (11)

 

 

Эта величина достигает максимума  по модулю при j = +/- pk, k=0, 1,

 

 
2,... В этом случае (12)

 

Из (12) следует, что переменное напряжение, период которого в целое  число раз меньше t₁, подавляется совершенно (рис. 12). Поэтому целесообразно выбрать тактовую частоту такой, чтобы произведение K_сч f_такт было бы равным, или кратным периоду напряжения промышленной сети.

 

4.3.2 Сигма-дельта  АЦП

АЦП многотактного интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Например, 13-разрядный AD7550 выполняет преобразование в четыре такта. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен быть снабжен довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и, как следствие, усиливает влияние помех.

 
Эти недостатки во многом устранены  в конструкции сигма-дельта АЦП (в  ранней литературе эти преобразователи  назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов). Своим названием  эти преобразователи обязаны  наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции - S) и интегратора (обозначение операции - D ). Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов измерения на большом интервале времени.

 

Основные узлы АЦП - это  сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена  на рис. 14. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала  U_вх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.

 
Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его  схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Примерами сигма-дельта модуляторов высокого порядка являются одноканальный AD7720 седьмого порядка и двухканальный ADMOD79 пятого порядка.

 

Наиболее широко в составе  ИМС используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в  качестве ЦАП - аналоговый комутатор (рис. 15). Принцип действия пояснен в табл. 2 на примере преобразования входного сигнала, равного 0,6 В, при U_оп=1 В. Пусть постоянная времени интегрирования интегратора численно равна периоду

 

 

 

 

 

Устройства записи временны́х графиков на визуальные носители

По способу записи такие  устройства бывают двух видов —  с записью на бумаге чернильным пером  или процарапыванием иглой на плёнке со специальным покрытием, и  с записью на фотоплёнке (светолучевые осциллографы). Функционально самописец  состоит из устройства для равномерного непрерывного перемещения носителя (бумаги, плёнки) и измерительного механизма, перемещающего перо, корундовую иглу для процарапывания или зеркальце осциллографа, направляющее луч в нужное место на фотоплёнке. Самописцы бывают одноканальные — для записи одного параметра и многоканальные — для одновременно записи нескольких параметров. Для многоканальной регистрации возможно применение нескольких измерительных механизмов или использование точечной записи, при которой один механизм через короткие промежутки времени поочередно переключается на разные каналы, в результате чего на ленте получается несколько графиков из точек или коротких штрихов.

тактовых импульсов. В  нулевом периоде выходное напряжение интегратора сбрасывается в нуль. На выходе ЦАП также устанавливается  нулевое напряжение. Затем схема  проходит через показанную в табл. 9 последовательность состояний.

 

Таблица 4

Uвх=0,6 В					Uвх=0 В
N такта	US, В	Uи, В	Uк, бит	UЦАП, В	N такта	US, В	Uи, В	Uк, бит	UЦАП, В
1	0,6	0,6	1	1	1	1	1	1	1
2	-0,4	0,2	1	1	2	-1	0	0	-1
3	-0,4	-0,2	0	-1	3	1	1	1	1
4	1,6	1,4	1	1	4	-1	0	0	-1
5	-0,4	1,0	1	1	5	1	1	1	1
6	-0,4	0,6	1	1	6	-1	0	0	-1
7	-0,4	0,2	1	1	7	1	1	1	1
8	-0,4	-0,2	0	-1	8	-1	0	0	-1
9	1,6	1,4	1	1	9	1	1	1	1
10	-0,4	1,0	1	1	10	-1	0	0	-1
11	-0,4	0,6	1	1	11	1	1	1	1
12	-0,4	0,2	1	1	12	-1	0	0	-1
13	-0,4	-0,2	0	-1	13	1	1	1	1
14	1,6	1,4	1	1	14	-1	0	0	-1
15	-0,4	1,0	1	1	15	1	1	1	1
16	-0,4	0,6	1	1	16	-1	0	0	-1

 

В тактовые периоды 2 и 7 состояния  системы идентичны, так как при  неизменном входном сигнале U_вх=0,6 В цикл работы занимает пять тактовых периодов. Усреднение выходного сигнала ЦАП за цикл действительно дает величину напряжения 0,6 В:

 

(1-1+1+1+1)/5=0,6.

 

Для формирования выходного  кода такого преобразователя необходимо каким-либо образом преобразовать  последовательность бит на выходе компаратора  в виде унитарного кода в последовательный или параллельный двоичный позиционный  код. В простейшем случае это можно  сделать с помощью двоичного  счетчика. Возьмем в нашем примере 4-разрядный счетчик. Подсчет бит  на выходе компаратора за 16-ти тактный цикл дает число 13. Несложно увидеть, что при U_вх=1 В на выходе компаратора всегда будет единица, что дает за цикл число 16, т.е. переполнение счетчика. Напротив, при U_вх=-1 В на выходе компаратора всегда будет нуль, что дает равное нулю содержимое счетчика в конце цикла. В случае, если U_вх=0 то, как это видно из табл. 2, результат счета за цикл составит 8₁₀ или 1000₂. Это значит, что выходное число АЦП представляется в смещенном коде. В рассмотренном примере верхняя граница полной шкалы составит 1111₂ или +7₁₀, а нижняя - 0000₂ или -8₁₀. При U_вх=0,6 В, как это видно из левой половины табл. 2, содержимое счетчика составит 1310 в смещенном коде, что соответствует +5. Учитывая, что +8 соответствует U_вх=1 В, найдем

 

5*1/8=0,625 > 0,6 В.

 

При использовании двоичного  счетчика в качестве преобразователя  потока битов, поступающих с выхода компаратора, необходимо выделять фиксированный  цикл преобразования, длительность которого равна произведению K_сч f_такт. После его окончания должно производиться считывание результата, например, с помощью регистра-защелки и обнуление счетчика. В этом случае с точки зрения помехоподавляющих свойств сигма-дельта АЦП близки к АЦП многотактного интегрирования. Более эффективно с этой точки зрения применение в сигма-дельта АЦП цифровых фильтров с конечной длительностью переходных процессов.

В сигма-дельта АЦП обычно применяются цифровые фильтры с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) вида (sinx/x)³. Передаточная функция такого фильтра в z-области определяется выражением

 

где М - целое число, которое  задается программно и равно отношению  тактовой частоты модулятора к частоте  отсчетов фильтра. (Частота отсчетов - это частота, с которой обновляются  данные).Например, для АЦП AD7714

 

 

это число может принимать  значения от 19 до 4000. В частотной  области модуль передаточной функции  фильтра (13) На рис. 16 приведен график амплитудно-частотной  характеристики цифрового фильтра, построенной согласно выражению (13) при f_такт=38,4 кГц и М=192, что дает значение частоты отсчетов, совпадающей с первой частотой режекции фильтра АЦП, f_отсч=50 Гц. Сравнение этой АЧХ с АЧХ коэффициента подавления помех АЦП с двухкратным интегрированием (см. рис. 12) показывает значительно лучшие помехоподавляющие свойства сигма-дельта АЦП.