- •Автоматизация измерений, контроля и испытаний
- •Введение. Основные определения и термины
- •1. Принципы построения измерительных систем
- •1.1. Ввод аналоговых сигналов в измерительных системах
- •1.1.1. Датчики измерительных систем и устройства согласования
- •1.1.2. Измерительные коммутаторы
- •1.1.3. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •1.2. Оценка системных параметров многоканальных измерительных систем
- •1.3. Каналы передачи данных (интерфейс)
- •1.4. Устройства и системы ввода/вывода фирмы National Instruments
- •1.4.1. Системы согласования сигналов scxi и scc
- •1.4.2. Многофункциональные платы и устройства для сбора данных
- •1.4.3. Модульные измерительные системы стандарта pxi
- •1.4.4. Система распределенного ввода/вывода и промышленного управления FieldPoint
- •1.4.5. Реконфигурируемая контрольно-измерительная система CompactRio
- •1.5. Система дистанционного измерения и сбора измерительно-диагностической информации
- •1.5.1. Общая структура системы
- •1.5.2. Измерительная часть автоматизированной системы дистанционных измерений
- •1.5.3. Алгоритмы работы автоматизированной системы дистанционных измерений
- •1.5.4. Разработка схем подключения средств измерения
- •2. Сигналы и методы их исследования
- •2.1. Общие характеристики электрических сигналов
- •2.2. Методы исследования прохождения сигналов
- •2.3. Динамические модели преобразователей сигналов
- •2.4. Механические, тепловые и электрические аналогии
- •2.4.1. Механические элементы
- •2.4.2. Тепловые элементы
- •2.4.3. Электрические элементы
- •2.5. Фильтры
- •2.5.1. Фильтры нижних частот
- •2.5.2. Фильтры верхних частот
- •2.5.3. Полосовые фильтры
- •2.5.4. Полосно-подавляющие фильтры
- •3. Аналоговая обработка сигналов
- •3.1. Операционные усилители. Основные свойства
- •3.2. Параметры и характеристики оу
- •3.3. Обратная связь в усилителях
- •3.4. Влияние ос на параметры усилителей
- •3.5. Применение операционных усилителей
- •3.5.1. Инвертирующий усилитель
- •3.5.2. Неинвертирующий усилитель
- •3.5.3. Суммирующий усилитель
- •3.5.4. Дифференциальный усилитель
- •3.5.5. Измерительный усилитель
- •3.5.6. Интеграторы
- •3.5.7. Дифференциаторы
- •3.5.8. Нелинейные преобразователи на оу
- •3.6. Активные фильтры
- •4. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
- •4.1. Электронные ключи и коммутаторы
- •4.2. Цифро-аналоговые преобразователи
- •4.2.1. Общие положения
- •4.2.2. Цап с суммированием токов
- •4.2.3. Цап с внутренними источниками тока
- •4.2.4. Сегментированные цап
- •4.4.5. Цифровые потенциометры
- •4.2.6. Цап прямого цифрового синтеза
- •4.2.7. Параметры цап
- •4.3. Аналого-цифровые преобразователи
- •4.3.1. Общие положения
- •4.3.3. Ацп последовательного приближения
- •4.3.4. Последовательно-параллельные ацп конвейерного типа
- •4.3.5. Сигма-дельта ацп
- •5. Цифровая обработка сигналов
- •5.1. Общая характеристика цифровых сигналов и цифровых микросхем
- •5.2. Основы алгебры логики
- •5.3. Логические элементы
- •5.3.1. Типы логических элементов
- •5.3.2. Параметры логических элементов
- •5.4. Построение комбинационной логической схемы по заданной функции. Минимизация логических функций
- •5.5. Типы выходных каскадов цифровых элементов
- •5.6. Сложные логические элементы
- •6. Функциональные устройства на цифровых микросхемах
- •6.1. Системы счисления
- •6.2. Дешифраторы и шифраторы
- •6.3. Мультиплексоры и демультиплексоры
- •6.4. Компараторы кодов
- •6.5. Сумматоры
- •6.6. Триггеры
- •6.7. Регистры
- •6.8. Счетчики импульсов
- •6.9. Автоматизированные измерительные системы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
4.3.4. Последовательно-параллельные ацп конвейерного типа
Рис.
4.39. Конвейерный АЦП
Введение элементов задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразования реализует конвейерный принцип преобразования. Роль аналогового элемента задержки выполняет УВХ 2, цифрового — буферный регистр, который задерживает передачу старших разрядов на один такт.
Конвейерная архитектура значительно увеличивает частоту выборок многоступенчатого АЦП. Это дает возможность без проигрыша в быстродействии увеличивать количество ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени, Однако, выполнение преобразования за три, четыре или, возможно, даже большее количество конвейерных ступеней вызывает дополнительную задержку выходных данных. Поэтому, если АЦП используется в событийно-управляемом или однократном режиме, требующем однозначного соответствия времени между каждым отсчетом и соответствующими данными, то конвейерная задержка может привести к нежелательному результату. В этом случае предпочтительна архитектура последовательного или параллельного типа. Конвейерная задержка может создать проблемы в высокоскоростных системах управления с обратной связью или в приложениях с мультиплексированием данных. Кроме того, некоторые конвейерные преобразователи рассчитаны на определенную минимально допустимую скорость преобразования.
4.3.5. Сигма-дельта ацп
При требуемом разрешении лучше 16 двоичных разрядов при высокой частоте выборок рассматривавшиеся методы преобразования становятся недостаточно эффективными, особенно при малых уровнях сигналов. Требование точно откалиброванного многоразрядного ЦАП в качестве элемента схемы преобразования становится чрезмерно жестким. Даже малые отклонения уровней на выходе ЦАП от их номинальных значений, обусловленные разбросом параметров, и различное время срабатывания ключей могут привести к провалам в проходной характеристике и даже к пропуску отдельных двоичных комбинаций на выходе.
Сегодняшние скоростные цифровые схемы позволяют создавать преобразователи, действующие по принципу избыточной дискретизации и работающие с частотой выборок, значительно превосходящей теоретический минимум, определяемый шириной занимаемой сигналом полосы. Выгода от применения избыточной дискретизации заключается в том, что спектр шума квантования можно распределить по более широкому интервалу частот. Это дает возможность большую часть шума оставить вне зоны используемых частот при обратной фильтрации дискретизованного сигнала с сохранением компонентов только в полосе исходного сигнала.
Рассмотрим методику избыточной дискретизации с анализом в частотной области. Там, где преобразование постоянного напряжения имеет ошибку квантования до 1/2 МЗР, дискретная система, работающая с переменным входным сигналом, обладает шумом квантования. Идеальный классический N-разрядный АЦП имеет среднеквадратичное значение шума квантования, равное h/121/2. Шум квантования равномерно распределен в пределах полосы Котельникова от 0 до fв/2 (рис. 4.40, а). Поэтому, его отношение сигнал/шум для полнодиапазонного синусоидального входного сигнала будет (6,02N+1,76) дБ. Если АЦП несовершенен и его реальный шум больше, чем его теоретический минимальный шум квантования, то эффективная разрешающая способность будет меньше, чем N-разрядная.
Рис.
4.40. Спектры шумов квантования в простом
АЦП (а),
АЦП с избыточной дискретизацией,
цифровым фильтром и децимацией (б)
и Σ-Δ АЦП с избыточной дискретизацией,
цифровым фильтром и децимацией (в)
Так как ширина полосы пропускания уменьшена выходным цифровым фильтром, скорость выдачи выходных данных может быть ниже, чем первоначальная частота дискретизации (Kfв), и при этом все же удовлетворять теореме Котельникова. Это достигается посредством передачи на выход каждого М-го результата и отбрасывания остальных результатов. Такой процесс называют децимацией с коэффициентом М. Несмотря на происхождение термина (decem по-латыни — десять), М может принимать любое целое значение, при условии, что частота выходных данных больше, чем удвоенная ширина полосы сигнала. Прореживание не вызывает никакой потери информации (рис. 4.40, б).
Если использовать избыточную дискретизацию только для улучшения разрешающей способности, необходимо применять коэффициент избыточности 22N, чтобы получить N-разрядное увеличение разрешающей способности. Сигма-дельта (Σ-Δ) преобразователь не нуждается в таком высоком коэффициенте избыточной дискретизации. Он не только ограничивает полосу пропускания сигнала, но также задает форму кривой распределения шума квантования таким образом, что большая ее часть выходит за пределы этой полосы пропускания, как это показано на рис. 4.40, в.
В методе избыточной дискретизации типичное значение коэффициента избыточности составляет 256 и более. Применяя обработку, обеспечивающую оптимальное формирование спектра шума, можно достичь разрешения в 18 бит и более при 1-разрядном преобразователе (1-разрядный АЦП — обыкновенный аналоговый компаратор).
Отличительной чертой 1-разрядного АЦП по сравнению с многоразрядными преобразователями является то, что в нем одни и те же аналоговые компоненты используются многократно в течение интервала времени между появлением выборок на выходе. Аналоговое входное напряжение преобразуется в цифровые биты по принципу повторного использования компонентов снова и снова, а не посредством применения различных элементов, относящихся к различным значениям, как это делается в многоразрядном преобразователе. Большая тактовая частота, с которой осуществляются повторения, позволяет достичь высокой точности, несмотря на разброс элементов компонентов.
Если посмотреть на сигнал, прошедший 1-разрядное преобразование, на частоте, равной частоте взятия выборок при избыточной дискретизации, то можно увидеть повышенную концентрацию двоичных единиц, когда аналоговый сигнал имеет большое значение, и повышенную концентрацию нулей, когда величина напряжения на входе мала.
Рис.
4.41. Σ-Δ АЦП
Петля обратной связи замыкает путем подачи стробированного сигнала с выхода компаратора на вход 1-разрядного ЦАП. Это приводит к тому, что на выходе дифференциального усилителя возникает разность между мгновенным значением напряжения на аналоговом входе и средним значением аналоговых выборок, непосредственно предшествующих данному моменту времени. Петля ЦАП—дифференциальный усилитель—компаратор поддерживает нулевой заряд на конденсаторе интегратора. На стробированном выходе компаратора каждый раз появляется достаточное количество сигналов со значением «логическая 1», чтобы компенсировать заряд, поступивший в интегратор со стороны аналогового входа через дифференциальный усилитель. Другими словами, на выходе логического элемента И возникает поток битов, следующий с высокой частотой (в типичном случае — 11,2896 МГц), причем плотность логических единиц пропорциональна напряжению на аналоговом входе.
Чтобы выполнить преобразование потока битов в двоичное число, можно воспользоваться счетчиком и регистром-защелкой. На практике это выполняется с помощью цифрового фильтра нижних частот, на выходе которого вновь берутся выборки с частотой 44,1 кГц. ФНЧ сглаживает быстрые изменения в цифровом сигнале и, следовательно, осуществляет усреднение его по времени, подготавливая сигнал к тому, чтобы из него вновь могли быть взяты выборки с требуемой частотой. Эта процедура называется прореживанием или децимацией.
Дополнительный выигрыш, получаемый от применения избыточной дискретизации, состоит в том, что исключаются сложные аналоговые фильтры, необходимые для того, чтобы избежать перекрытия спектров.
Сегодняшние высокоскоростные средства обработки сигналов позволяют сделать преобразователи с избыточной дискретизацией не только более точными, чем многоразрядные схемы, но и более дешевыми, поскольку вместо трудно осуществимой точности значений параметров здесь требуется точность стробирования, а это значительно проще. Избыточная дискретизация в большой степени терпима к несовершенствам аппаратных средств. В общем случае, отпадает необходимость схемы выборки-хранения, поскольку частота преобразования входного сигнала исключительно велика по сравнению с частотой аналогового входного сигнала.
Недостатком сигма-дельта АЦП является то, что при скачкообразном изменении входного сигнала они начинают давать результат только через три—четыре отсчета.
Современные сигма-дельта АЦП имеют развитую цифровую часть, включающую микроконтроллер. Это позволяет реализовывать режимы автоматической установки нуля, самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего процессора.