Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), классификация по методу преобразования.Интерфейсы аналого-цифровых преобразователей. Узлы аналого-цифровых устройств средств сопряжения.

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА «ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ» ЛЕКЦИЯ № 20 ТЕМА : ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. 1 ТЕМА : ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. Цель: ознакомится с устройством и принципами работы аналого-цифровых преобразователей. Вопросы: 1.Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), классификация по методу преобразования. 2.Интерфейсы аналого-цифровых преобразователей. 3.Узлы аналого-цифровых устройств средств сопряжения. Литература: 1. Курс лекций по дисциплине «Информационноуправляющие технологии», Севастополь, ЧВВМУ, 2016г, лекция № 20. 2 1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП), КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МЕТОДУ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ. При реализации аналого-цифровых используются шесть основных архитектур: преобразователей • преобразователи последовательного счета; • преобразователи последовательного приближения; • сигма-дельта преобразователи; • параллельные преобразователи; • конвейерные преобразователи; • последовательные преобразователи. Основной характеристикой аналого-цифрового преобразователя, влияющей на выбор той или иной архитектуры, считается скорость преобразования. Единицей измерения скорости преобразования принято считать число выборок в секунду (Sps — Sample Per Second). 3 1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП), ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ а) структурная схема ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА б) временная диаграмма работы. ПРИНЦИП РАБОТЫ. Генератор импульсов ГИ вырабатывает последовательность импульсов, которая с помощью счетчика Сч преобразуется в двоичный код. Этот код управляет ключами ЦАП. Выходное напряжение ЦАП поступает на один из входов компаратора К, где сравнивается с входным напряжением UBX, поданным на другой вход компаратора. При равенстве напряжений UBX и Uцап в момент времени tx ( б ) компаратор выдает сигнал, останавливающий работу генератора импульсов. При этом на выходе счетчика Сч фиксируется двоичный код, соответствующий напряжению UBX. 4 1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП), ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ а) структурная схема ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ б) временная диаграмма работы. ПРИНЦИП РАБОТЫ. После подачи команды «Пуск» устройство выборки-хранения устанавливается в режим хранения и все разряды регистра последовательного приближения, кроме старшего значащего разряда, сбрасываются. Старший разряд устанавливается в единичное состояние. Выходной сигнал регистра последовательного приближения поступает на цифроаналоговый преобразователь. Старший разряд регистра последовательного приближения сбрасывается, если выходной сигнал цифроаналогового преобразователя больше входного аналогового сигнала. В противном случае он остается в единичном состоянии. В следующем такте в единичное состояние устанавливается следующий значащий разряд регистра последовательного приближения и вновь выходной сигнал цифроаналогового преобразователя сравнивается с входным сигналом. Если сигнал на его выходе становится больше входного, то установленный разряд сбрасывается, в противном случае — остается единичным. Описанный процесс поочередно повторяется для каждого разряда регистра последовательного приближения, n-разрядное преобразование осуществляется за N шагов. Окончание преобразования индицируется сигналом «Стоп». 5 1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП),. Сигма-дельта преобразователь ПРИНЦИП РАБОТЫ. Постоянное напряжение подается на вход элемента сравнения. Напряжение на выходе интегратора нарастает или убывает в зависимости от знака сигнала на выходе элемента сравнения. С выхода компаратора через одноразрядный цифроаналоговый преобразователь сигнал поступает на вычитающий вход элемента сравнения. Благодаря такой отрицательной обратной связи среднее значение постоянного напряжения на входе интегратора стабилизируется на нулевом уровне, а среднее выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя становится равным входному напряжению. В свою очередь, среднее выходное напряжение цифроаналогового преобразователя определяется плотностью потока единиц на выходе компаратора. Цифровой фильтр обрабатывает последовательный поток битов 6 и вычисляет его среднее значение. 1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП) Параллельный аналого-цифровой преобразователь ПРИНЦИП РАБОТЫ. N-разрядный параллельный преобразователь состоит из 2n резисторов и 2n—1 компараторов. Он является самым быстрым типом АЦП. В схеме на компараторы К подаются опорные напряжения с резистивного делителя, значения которых для соседних точек отличаются на величину, соответствующую младшему значащему разряду. При фиксированном входном напряжении все компараторы, размещенные н схеме ниже некоторой точки, имеют входное напряжение выше опорного. На их логическом выходе присутствует единичный сигнал. У всех компараторов выше этой точки опорное напряжение больше входного, и на их выходах формируются сигналы низкого уровня. Сигналы с выходов компараторов преобразуются приоритетным шифратором в N-разрядный двоичный код, поступающий на выход преобразователя. 7 1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП) Конвейерный аналого-цифровой преобразователь ПРИНЦИП РАБОТЫ. Процесс преобразования в схеме проходит в два этапа. Первые четыре старших разряда обрабатываются первым параллельным аналого-цифровым преобразователем, и двоичный выходной 4-разрядный код подается на 4-разрядный цифроаналоговый преобразователь. Выходной сигнал с этого преобразователя вычитается из сохраненного аналогового входного сигнала, результат вычитания (остаток) усиливается и подается на второй параллельный аналого-цифровой преобразователь. Затем выходные сигналы двух 4-разрядных параллельных преобразователей объединяются в один 8-разрядный выходной сигнал. Число ступеней в конвейерном преобразователе может быть больше двух. По этому принципу изготавливаются 3- и 4-конвейерные схемы, имеющие 8 разрядность до 16. 1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП) Последовательный аналого-цифровой преобразователь ПРИНЦИП РАБОТЫ. Последовательный аналого-цифровой преобразователь является разновидностью конвейерного преобразователя. N-разрядный преобразователь имеет N одноразрядных ступеней. Остаточный сигнал каждой ступени является входным сигналом для следующей ступени. 9 2. ИНТЕРФЕЙСЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. В интегральном исполнении АЦП производятся с различными интерфейсами выходного сигнала. Выпускаются схемы с параллельным и последовательным интерфейсами. Параллельный интерфейс, в свою очередь, может быть байтовым и полноразрядным. Примеры условного обозначения современных микросхем АЦП AD7819 фирмы Analog Device - быстродействующий 8-разрядный АЦП последовательного приближения с максимальной производительностью 200 • 103 выборок в секунду. Микросхема питается от однополярного источника Us с напряжением от 2,7 до 5,5 В и содержит преобразователь последовательного приближения с временем преобразования 4,5 мкс, цепи выборки-хранения, встроенный тактовый генератор и байтовый параллельный интерфейс с шиной DB[0... 7]. Входной сигнал подается на вход AIN (Analog Input) микросхемы. Вход VREF (Voltage Refresh) предназначен для подключения внешнего источника опорного напряжения. . МАХ7707 -двухканальный 16-разрядный сигма-дельта ADC с выходным интерфейсом SPI. Способен обрабатывать как однополярные так и биполярные сигналы, для чего снабжена двумя дифференциальными входами AIN1+, AIN1- и AIN2+, AIN2-. и дифференциальным входом для подключения источника опорного напряжения REF+, REF-. Работает от однополярного питания Us= 2,7...5,25 В и имеет трехпроводный последовательный интерфейс SPI с линиями DIN (Data Input), DOUT (Data Out) и SCL (Serial Clock). . 10 2. ИНТЕРФЕЙСЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. Примеры условного обозначения современных микросхем АЦП МАХ1062 фирмы Maxim является 14-разрядным ADC последовательного приближения с временем преобразования 5 мкс, снабженным последовательным интерфейсом SPI. Микросхема имеет раздельное питание цифровой и аналоговой частей, причем если напряжение питания аналоговой части составляет AUs= 4,75... 5,25 В, то цифровая часть может питаться от источника с напряжением DUS= 2,7... 5,25 В. Напряжение входного сигнала AIN может находиться в диапазоне от 0 В до напряжения внешнего источника опорного напряжения REF. MAX150 быстродействующий 8-разрядный конвейерный преобразователь. Две 4-разрядные секции преобразователя обеспечивают формирование 8-разрядного выходного сигнала за 1,34 мкс. ADC работает в диапазоне изменения входного сигнала VREF- < VIN < VREF+. Нижний предел, задаваемый на входе VREF-, должен быть больше 0, а задаваемый на входе VREF+ должен быть меньше напряжения источника питания Us=5 В. Микросхема имеет встроенный источник опорного напряжения, напряжение с которого присутствует на выходе REFOUT (Refresh Output). Выходы данных DB[0... 7] имеют буферные каскады с тремя логическими состояниями. 11 3. УЗЛЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ Кроме самих АЦП при организации оцифровки сигналов необходимо обеспечить подготовку аналогового сигнала на входе АЦП. Рассмотрим основные схемные решения такого канала. В большинстве современных АЦП эти узлы встроены (интегрированы) непосредственно в АЦП. К таким устройствам в каналах аналогового сигнала относятся: аналоговые мультиплексоры; схемы выбора-хранения. Аналоговый мультиплексор. В отличие от цифровых мультиплексоров, в которых не происходит потерь информации при передаче цифровых сигналов, аналоговый мультиплексор — более сложное устройство. При разработке мультиплексора основная цель состоит в том, чтобы в измерение аналогового сигнала не вносилась ошибка. Это требование может быть выполнено при использовании идеального ключа. В разомкнутом состоянии идеальный ключ имеет бесконечное, а в замкнутом — нулевое сопротивление. Электромеханические переключатели наиболее близки по своим характеристикам к идеальным, однако из-за низкой скорости переключения и малого срока службы не широко распространены. 12 3. УЗЛЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ. Аналоговый мультиплексор. Динамические характеристики аналоговых мультиплексоров определяются временем переключения. Это время для ключей на МДП-транзисторах составляет сотни наносекунд. Под влиянием паразитных емкостей Со ключей время установления коммутатора может существенно возрасти. Структура мультиплексора (коммутатора) аналоговых сигналов Схема каскадирования многоканального мультиплексора (коммутатора) аналоговых сигналов Условное графическое обозначение интегрального мультиплексора (коммутатора) аналоговых сигналов 590КН6 13 3. УЗЛЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ. СХЕМЫ ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ Схемы выборки — хранения. Для запоминания изменяющихся аналоговых сигналов на время преобразования, коммутации и других операций в системах сбора информации используют схемы выборки - хранения ( на рисунке Кл - ключ). Элементом памяти схемы выборки - хранения является конденсатор С, подключаемый на время выборки к источнику сигнала. Варианты схем устройств выборки-хранения 14 3. УЗЛЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ. СХЕМЫ ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ К важнейшим характеристикам устройства выборки-хранения относятся: -время выборки — время от момента подачи сигнала на выборку до момента установления выходного сигнала; - апертурное время — интервал времени между моментом подачи сигнала на хранение и моментом завершения аналого-цифрового преобразования; - скорость разрушения информации - изменение выходного напряжения вследствие разряда запоминающей емкости; - сквозная передача - часть входного сигнала вследствие конечного сопротивления и разомкнутого ключа передается на выход. 15 ВЫВОДЫ АЦП представляют собой класс электронных устройств обеспечивающих связь цифровых систем с аналоговыми источниками информации (сигналов). Для обеспечения работоспособности АЦП в требуемых режимах необходимо обеспечить подачу на его вход сигнала с заданными характеристика, согласованными с характеристиками АЦП. 16