Аналого-цифровой преобразователь с самоконтролем и реконфигурацией подсистемы контроля корабельного ЗРК

Очевидно, что используемые в этой схеме 4-разрядные  АЦП и ЦАП должны обладать 8-разрядной  точностью, в противном случае возможен пропуск кодов, т.е. при монотонном нарастании входного напряжения выходной код АЦП не будет принимать  некоторые значения из своей шкалы. Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения.

Быстродействие  рассмотренного многотактного АЦП определяется полным временем преобразования 4-разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП с погрешностью, не превышающей 0,2...0,3 кванта 8-разрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входит в общее время преобразования дважды. В результате преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше. Однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения.

 

в) Конвейерные АЦП

Быстродействие  многоступенчатого АЦП можно  повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП, смотрите рисунок 3.5 вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП.

Рисунок 3.5 Структурная схема конвейерного АЦП

 

Роль  аналогового элемента задержки выполняет  устройство выборки-хранения, а цифрового  – четыре D-триггера.

Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохождения сигнала, соответствующая обычному многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, не имеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования.

 

3.1.3 Последовательные АЦП

 

а) АЦП последовательного счета

Этот преобразователь  является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями  и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП, смотрите рисунок 3.6. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи с ЦАП.

Рисунок 3.6 Структурная схема АЦП последовательного  счета

 

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. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого  типа является переменным и определяется входным напряжением.

Таким образом, особенностью АЦП последовательного  счета является небольшая частота  дискретизации. Достоинством АЦП данного  класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

б) АЦП последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом  последовательных АЦП.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с ¹/₂, ¹/₄, ¹/₈ и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой.

 

Рисунок 3.7 Структурная схема и временная  диаграмма АЦП последовательного  приближения

Рассмотрим  принципы построения и работы АЦП  последовательного приближения  на примере классической структуры (см. рисунок 3.7, а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

После подачи команды "Пуск" с приходом первого  тактового импульса РПП принудительно  задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 1000₂=8₁₀). Благодаря этому напряжение U_ос на выходе ЦАП (рисунок 3.7, б):

 

U_ос=2³h                                                          (3.1)

 

где h – квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0.

В этом последнем  случае схема управления должна переключить  старший разряд d₃ обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток, таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рисунка 3.7 б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

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.

Данный  класс АЦП находит широкое  применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

 

в) Интегрирующие АЦП

Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. 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.

1. АЦП многотактного интегрирования

Упрощенная  схема АЦП, работающего в два  основных такта (АЦП двухтактного интегрирования), приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 Упрощенная схема АЦП двухтактного интегрирования

 

Преобразование  проходит стадию интегрирования и стадию счета. В начале первой стадии ключ S₁ замкнут, а ключ S₂ разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение U_вх.

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.

Стадия  счета заканчивается, когда выходное напряжение интегратора переходит  через нуль. При этом компаратор К переключается и счет останавливается. Этот АЦП может быть выполнен многотактным.

За счет увеличения помехоустойчивости быстродействие интегрирующих АЦП является низким.

 

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. 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 усиливает влияние помех.

Эти недостатки во многом устранены в конструкции  сигма-дельта АЦП. Своим названием  эти преобразователи обязаны  наличием в них двух блоков: сумматора  и интегратора. 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.

Рисунок 3.9 Структурная схема сигма-дельта модулятора

 

Основные  узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор  и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка  приведена на рисунке 3.9. 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.

 

В соответствии с требованием технического задания  быстродействие разрабатываемого АЦП  должно быть не менее 100мкс, а также  учитывая, что  класс АЦП последовательного приближения занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП выбираем метод поразрядеого уравновешивания.

 

 

 

 

4 Параметры аналого-цифровых преобразователей

 

При последовательном возрастании значений входного аналогового  сигнала U_вх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП U_пш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию.

 

Рисунок 4.1 Статистическая характеристика преобразования АЦП

 

Такую зависимость  по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1, см. рисунок 4.1, которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

 

4.1 Статические параметры

 

Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности.   

Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП U_вх при изменении D_j на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=U_пш/(2^N-1), где U_пш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.