АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1. Способы подключения АЦП к источнику входного сигнала 2 Несимметричный вариант подключения (а) применяется для единственного. - презентация

1 АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1

2 Способы подключения АЦП к источнику входного сигнала 2 Несимметричный вариант подключения (а) применяется для единственного источника входного сигнала, уровень напряжения которого отсчитывается по отношению к земле. При псевдо-дифференциальном подключении (б) входной сигнал поступает на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход используется для подавления шумов малосигнальной системы. В варианте с дифференциальным входом (в) сигнал, уровень которого может изменяться от потенциала земли до значения полной щкалы, поступает на оба входа преобразователя. Диапазон полной шкалы преобразователя (Full-Scale Range – FSR) определяется величиной опорного напряжения V REF.

3 Цифровое кодирование аналогового сигнала 3 Прямой двоичный код Идеальная характеристика преобразования для 4- битного АЦП, связывающая непрерывное аналоговое входное напряжение с выходным цифровым кодом. LSB = +FS/2 n, n разрядность преобразователя, a +FS равен диапазону полной шкалы аналогового входного напряжения АЦП Для униполярного прямого двоичного кода аналоговому нулевому напряжению соответствует код 0000, а максимальному значению аналогового входного напряжения за вычетом напряжения, соответствующего одному младшему значащему биту (LSB), соответствует код 1111.

4 Цифровое кодирование аналогового сигнала 4 Дополнительный двоичный код Идеальная характеристика преобразования 4- битного АЦП для биполярного входного сигнала с выходом в дополнительном коде. Цифровой сигнал в дополнительном коде, соответствующий аналоговому напряжению 0 В, равен Значению положительного напряжения полной шкалы аналогового сигнала минус один LSB в цифровом представлении соответствует 0111, а отрицательному напряжению полной шкалы 1000.

5 Основные параметры АЦП 5 Как узнать, что АЦП даёт на выходе правильный, надёжный цифровой код, и как это можно определить из технических данных на преобразователь? Ответ, конечно, зависит оттого, что разработчик понимает под термином «надёжность». Если нужно получить стабильный от преобразования к преобразованию код на выходе, то следует обращаться к параметрам АЦП по переменному току (АС). Если нужно подыскать преобразователь, цифровой код на выходе которого точно соответствовал бы входному напряжению, то больше внимания следует уделить параметрам преобразователя по постоянному току (DC), не забывая при этом о шуме. Стабильность и точность Параметры по переменному току Отношение сигнал/шум (SNR) это отношение среднеквадратического значения входного сигнала к среднеквадратическому значению шума, который определяется как сумма всех остальных спектральных компонент, исключая постоянную составляющую и высшие гармоники (гармонические искажения). Для идеального АЦП справедлива формула: SNR= (6,02n + 1,76) дБ, где n разрядность АЦП. Отношение сигнал/(шум + искажения) (SINAD) Сигнал это среднеквадратическое значение основной гармоники. (Шум + искажения) это среднеквадратическое значение суммы всех остальных составляющих вплоть до 1/2 частоты дискретизации, кроме основной гармоники и постоянной составляющей. ENOB – количество эффективных разрядов ENOB = (SINAD )/6.02. Количество эффективных разрядов АЦП высокой разрядности может быть много ниже номинальной. ENOB определяет, какие биты постоянно присутствуют в выходном коде преобразователя.

6 Основные параметры АЦП 6 Параметры по постоянному току Аддитивная погрешность, погрешность смещения нуля (Offset Error) Мультипликативная погрешность (Full-Scale Error)

7 Основные параметры АЦП 7 Параметры по постоянному току Дифференциальная нелинейность (DNL) Интегральная нелинейность (INL)

8 АЦП последовательного приближения 8 S1 замкнут, напряжение входного сигнала запоминается на внутренней матрице конденсаторов преобразователя. По окончанию интервала выборки S1 размыкается и нижняя (по схеме) обкладка MSB-конденсатора 16C подключается к источнику опорного напряжения V REF, а обкладки остальных конденсаторов соединяются с Vss (или землёй схемы). Напряжение на неинвертирующем входе компаратора по отношению к Vss становится равным (1/2V DD - V IN ) + 1/2V REF. Если это значение больше напряжения 1/2V DD на инвертирующем входе, то значение MSB принимается равным нулю и передаётся через последовательный порт, а MSB-конденсатор остаётся присоединённым к VREF. Если напряжение на неивертирующем входе компаратора меньше, чем 1/2V DD, то MSB- конденсатор присоединяется к Vss, а MSB-бит принимается равным единице и передаётся через последовательный порт. После определения значения MSB преобразователь проверяет значение (MSB-1)-го бита. После переключений конденсаторов матрицы напряжение на неинвертирующем входе компаратора становится равным (1/2V DD - V IN ) + 1/2V REF +1/4V REF. Напряжение на матрице конденсаторов снова сравнивается с напряжением на инвертирующем входе компаратора, равным 1/2V DD. Блок-схема КМОП-преобразователя последовательного приближения

9 АЦП последовательного приближения 9 Входной каскад АЦП последовательного приближения Входной сигнал преобразователя последовательного приближения необходимо буферизовать для исключения проблем, связанных с согласованием выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления АЦП. Кроме того, перед АЦП необходимо устанавливать фильтр для уменьшения погрешностей преобразования из-за наложения спектра шума на полезный сигнал. Каскад усиления на операционном усилителе и фильтр, показанные на этой схеме, могут быть выполнены как одно устройство. Комбинация сопротивления внешнего источника сигнала (R S ) на входе преобразователя и внутреннего сопротивления ключа (R SWITCH ) вместе с конденсатором выборки C SAMPLE образуют фильтр нижних частоте определённым временем нарастания сигнала. Для получения высокой точности преобразования следует или минимизировать сопротивление источника сигнала R S, или увеличить время выборки преобразователя. Конденсатор выборки является основным элементом цепи выборки входного сигнала при замыкании ключа: в момент выборки входного сигнала комбинация сопротивления источника R S, сопротивления ключа R SWITCH и конденсатора выборки C SAMPLE образует однополюсную RС-цепь, постоянная времени которой равна RC = (R S + R SWITCH ) × C SAMPLE. напряжение на конденсаторе выборки

10 АЦП последовательного приближения 10 Оценка «надежных» битов Преобразователь выполняет выборку входного сигнала в течение определённого интервала времени, зависящего от тактовой частоты, на которой работает АЦП. Если время выборки слишком мало или сопротивление внешнего источника сигнала, подключённого ко входу преобразователя, слишком велико, то напряжение на конденсаторе выборки не достигнет величины входного сигнала, что скажется на точности преобразования. Число постоянных времени K K× RC (нс) Напряжение на C SAMPLE (в % от диапазона полной шкалы) 63,299,399,96699,987799,9955 Точность АЦП (в битах) 1,47,211,513,014,43 Чтобы получить точность в 12 битов в диапазоне температур для полного заряда RС-цепи, состоящей из сопротивления R SWITCH = 1кОм и ёмкости C SAMPLE = 25 пФ, потребуется приблизительно 8,5 постоянных времени Для 5 постоянных времени имеем

11 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) 11 Своим названием эти преобразователи обязаны наличию в них двух блоков: сумматора (обозначение операции ) и интегратора (обозначение операции Δ). 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. В настоящее время изготавливаются две группы сигма- дельта АЦП: низкочастотные АЦП высокого разрешения с числом разрядов для измерительной техники промышленного назначения; широкополосные АЦП умеренного и высокого разрешения с числом разрядов для аудиоприложений и систем цифровой обработки сигналов. Общие сведения Упрощенная структурная схема сигма- дельта модулятора первого порядка а - простой АЦП, б – АЦП с передискретизацией и цифровым фильтром, в – сигма-дельта АЦП. K – коэффициент передискретизации Блок-схема сигма-дельта АЦП При неидеальном АЦП и шуме, превышающем теоретический, разрешающая способность будет меньше той, что определяется числом разрядов N. Эффективное разрешение ENOB = (SINAD )/6.02

12 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) 12 Принцип действия сигма-дельта модулятора Структурная схема сигма-дельта модулятора с выделенным блоком PGA Возьмем 4-разрядный счетчик. Подсчет бит на выходе компаратора за 16-тактный цикл при V IN =0,6 дает число 13. При V IN =0 результат счета составит 8 10 = Это означает, что выходное число АЦП представлено в смещенном коде. Верхняя граница полной шкалы составит = Нижняя = При V IN =0,6 содержимое счетчика составит 13 в смещенном коде, что соответствует Учитывая, что соответствует напряжению V IN =1, найдем 5*1/8=0,625 0,6В. Из структуры схемы видно, что сигнал ошибки e n формируется согласно равенству e n =X n -Q(U n ), а сигнал на выходе интегратора U n =e n-1 +U n-1.

13 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) 13 F T =KF Д, K=2 N Простейший метод формирования N- разрядного кода на выходе АЦП АЦП с сигма-дельта модулятором 1 порядка и формированием N-разрядного кода методом подсчета «единиц» Метод чрезвычайно прост, но обладает невысокой точностью и применим только для квантования медленно меняющихся процессов или в случае, когда высокой точности не требуется.

14 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) 14 Линейная непрерывная модель сигма- дельта модулятора первого порядка Формирование спектра шума сигма- дельта модулятора Формирование спектра шума Блок-схема сигма-дельта АЦП с одноразрядным модулятором второго порядка Зависимость отношения сигнал/шум SNR от коэффициента передискретизации k Сигма-дельта АЦП AD1879 с одноразрядным модулятором пятого порядка, работающий с k=64 и обеспечивающий SNR=104 дБ. ЦФ подавляет сигнал за полосой пропускания на 118 дБ. На рис. приведены зависимость спектральной плотности шума от частоты на выходе модулятора (а) и АЧХ ЦФ (б)

15 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) 15 Многоразрядные сигма-дельты модуляторы Структурная схема АЦП с R-разрядным сигма-дельта модулятором Применение R-разрядного квантования позволяет снизить коэффициент преобразования К в 2 R раз и получить выигрыш либо в точности преобразования, либо в ширине полосы модулирующего сигнала. Например, если требуется получить 10-разрядное разрешение при квантовании аналогового сигнала с полосой до 500 кГц, то частота следования отсчетов на выходе АЦП должна быть более 1 МГц. Значит, при 1-разрядном квантовании тактовая частота модулятора потребовалась бы не меньше, чем F T = KF Д = 2 10 х 1МГц 1,024 ГГЦ, что, конечно, чересчур много. В случае же использования хотя бы 5-разрядного квантователя и ЦАП эта величина уменьшится в 2 5 = 32 раза, т. е. тактовая частота модулятора составит около 30 МГц.

16 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) 16 Фильтр децимации Назначение фильтра децимации – понизить скорость передачи данных на выходе сигма-дельта АЦП, чтобы она соответствовала полосе частот входного сигнала. КИХ-фильтр нижних частот передает многобитный поток данных на вход фильтра децимации. В своей простейшей реализации фильтр децимации передает отдельные результаты преобразования с требуемой скоростью на выход АЦП

17 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) 17 Низкочастотные сигма-дельта АЦП высокого разрешения для средств измерения Типичными представителями этой группы являются 16-разрядные AD7705/6/7, МАХ1400/1/2/3 и 24- разрядные AD7710/14/30/31, ADC1216/18/40/41, LTC240X. Эффективное разрешение этих АЦП ограничивается шумами и может быть увеличено путем увеличения периода обновления данных, сужения полосы пропускания и др. Подобные АЦП снабжаются 1-разрядными модуляторами первого или более высокого порядка. В сигма-дельта АЦП, предназначенных для измерений, 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). АЧХ фильтра имеет вид На рис. приведен график амплитудно-частотной характеристики цифрового фильтра, построенной согласно приведенному выражению при f T = 38.4 кГц и М= 768, что дает значение частоты отсчетов, совпадающей с первой частотой режекции фильтра АЦП, f S = 50 Гц.

18 Сигма-дельта АЦП (-Δ АЦП) разрядный сигма-дельта АЦП AD7730 Область применения – электронные весы и системы измерения и контроля давления. Низковольтный сигнал от датчика подается непосредственно на вход АЦП, на выходе цифровая информация представляется в виде последовательного кода. Входной аналоговый сигнал поступает на усилитель с программируемым коэффициентом усиления и на аналоговый модулятор. В АЦП имеется два буферизованных дифференциальных входа с программируемыми коэффициентами усиления, а также дифференциальный вход источника опорного напряжения. На АЦП могут подаваться четыре однополярных и биполярных сигнала в четырех диапазонах: 10мВ, 20мВ, 40мВ, 80мВ. Разрешающая способность от пика до пика может достигать 1/ /2 24.

19 Интерфейсы АЦП 19 АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных а – функциональная схема, б – временные диаграммы работы интерфейса например, АЦП MAX167

20 Интерфейсы АЦП 20 АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных например, 12-разрядный АЦП MAX176 или 14-разрядный MAX121 а – функциональная схема, б – временные диаграммы работы интерфейса АЦП, оснащенный выходным сдвиговым регистром Подключение сигма-дельта АЦП к микроконтроллеру семейства МК-51 через шину I 2 C

21 Выбор АЦП 21 Зависимость точности преобразования в битах от частоты дискретизации Типы выходных сигналов Диапазон выходных сигналов для различных типов датчиков при питании током 1 мА или напряжением 5 В

22 Выбор АЦП 22 Сигнальные цепи датчиков температуры Оцифровку аналогового сигнала во многих приложениях можно выполнить с помощью как АЦП последовательного приближения, так и сигма-дельта- преобразователя. При использовании АЦП последовательного приближения во многих случаях нужен дополнительный аналоговый входной каскад усиления. Сигма-дельта АЦП не требуют дополнительных цепей, но более низкая скорость преобразования в некоторых случаях может послужить препятствием к их применению в качестве альтернативы АЦП ПП. Наилучшей стабильностью и линейность обладает платиновый РТД-элемент с сопротивлением R TD0 =100 Ом Варианты подключения выводов РТД-элемента

23 Интерфейсы АЦП 23 АЦП для схем с резистивным датчиком температуры Слабый сигнал, поступающий с РТД-элемента, включённого по трёхпроводной схеме, усиливается каскадом на операционных усилителях A3 и А4 и поступает на вход АЦП последовательного приближения для дальнейшего преобразования и цифровой код. Здесь ОУ А3 работает как дифференциальный усилитель, а ОУ A4 помимо усиления, выполняет функцию фильтра нижних частот 2-го порядка. V OUTA3 – напряжение на выходе А 3 V WX – падение напряжения на проводах, идущих к РТД V IN =V W1 +V RTD +V W3 Если R 1 =R 2 и R W1 =R W3, то V OUTA3 =V RTD Фильтр Чебышева 2-рода имеет частоту среза 10 Гц и подавляет шумы с частотой сети в 16,8 раз. Значение младшего значащего бита 12-битного преобразователя равно АЦП LSB =V REF /12=2,5/4096=0,610 мВ

24 Интерфейсы АЦП 24 АЦП для схем с резистивным датчиком температуры Сигма-дельта АЦП преобразует слабый сигнал резистивного температурного датчика, включенного по четырёхпроводной схеме, в цифровой код. Для питания датчика используется источник тока 200 мкА самого преобразователя, при этом его значение пропорционально напряжению внутреннего источника опорного напряжения. Простейшие ФНЧ, устраняющие эффект наложения спектров, реализованы с помощью двух цепей R1C1 В качестве АЦП можно использовать микросхему AD7713, в котором имеются два источника опорного тока. При хорошей разводке печатной платы АЦП обеспечивает эффективную разрешающую способность 20 бит и точность 17 бит. Данный тип преобразователя обеспечивает высокую точность, что позволяет игнорировать «лишние» биты и получить приемлемый результат при 12 битах на выходе.

25 Интерфейсы АЦП 25 АЦП для схем измерения давления с помощью пьезорезистивного датчика давления Напряжение на выходе датчика давления SCX015 усиливается инструментальным усилителем (A1 и A2) с коэффициентом усиления 37,7 В/В, затем обрабатывается фильтром нижних частот 2- го порядка с частотой среза 10 Гц Наконец, 12-битный АЦП A4 выполняет оцифровку сигнала.

26 Интерфейсы АЦП 26 АЦП для схем измерения давления с помощью пьезорезистивного датчика давления Перед подачей на оба входа сигма-дельта АЦП выходное напряжение датчика давления SCX015 обрабатывается однополюсным фильтром нижних частот (R1C1) и только потом оцифровывается сигма-дельта-преобразователем (A4).

27 Интерфейсы АЦП 27 АЦП для схем измерения давления с помощью пьезорезистивного датчика давления Упрощенная схема использования AD7730

28 Интерфейсы АЦП 28 АЦП для схем с фотодиодами Световой поток, попадающий на фотодиод, вызывает в нём появление обратного тока, который протекает через резистор обратной связи RF. Напряжение на аноде фотодиода и неинвертирующем входе усилителя поддерживается на уровне 300 мВ по отношению к потенциалу земли, что помогает избежать искажения выходных сигналов усилителя, близких к потенциалу земли. Фильтр нижних частот подавляет высокочастотные составляющие, вносимые в сигнал операционным усилителем, после чего сигнал поступает на вход АЦП последовательного приближения.

29 Интерфейсы АЦП 29 АЦП для схем с фотодиодами В этой схеме за счёт применения сигма-дельта преобразователя можно заменить активный фильтр, устраняющий эффект наложения спектров пассивным RC-фильтром. Кроме того, из схемы можно исключить преобразователь ток-напряжение. В обновленной схеме имеется только два активных устройства плюс фотодатчик (для сравнения, в предыдущей схеме имеется четыре активных устройства и восемь пассивных компонентов).

30 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ