Аналого-цифровые преобразователи (ацп): назначение, устройство, применение

Алгоритм

Схема аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения обычно состоит из четырех основных подсхем:

1. Выборки и удержание цепи для получения входного напряжения V _в .
2. Аналоговый компаратор напряжения, который сравнивает V _in с выходом внутреннего ЦАП и выводит результат сравнения в регистр последовательного приближения (SAR).
3. Подсхема регистра последовательного приближения, предназначенная для подачи приблизительного цифрового кода V _во внутренний ЦАП.
4. Внутренний эталонный ЦАП, который, для сравнения с V _ref , подает на компаратор аналоговое напряжение, равное выходному цифровому коду SAR _в .

Анимация 4-битного АЦП последовательного приближения

Регистр последовательного приближения инициализируется так, чтобы старший бит (MSB) был равен 1 цифре . Этот код подается в ЦАП, который затем передает аналоговый эквивалент этого цифрового кода ( V _ref / 2) в схему компаратора. для сравнения с дискретным входным напряжением. Если это аналоговое напряжение превышает V _in , то компаратор заставляет SAR сбрасывать этот бит; в противном случае бит остается равным 1. Затем следующий бит устанавливается в 1, и выполняется тот же тест, продолжая этот двоичный поиск до тех пор, пока не будет протестирован каждый бит в SAR. Результирующий код представляет собой цифровую аппроксимацию дискретизированного входного напряжения и, наконец, выводится SAR в конце преобразования (EOC).

Математически пусть V _in = xV _ref , поэтому x in — это нормализованное входное напряжение. Задача состоит в том, чтобы приблизительно оцифровать x с точностью до 1/2 n . Алгоритм работает следующим образом:

1. Начальное приближение x = 0.
2. i- е приближение x _i = x _{i −1} — s ( x _{i −1} — x ) / 2 i , где s ( x ) — знаковая функция (sign ( x ) = +1 для x ≥ 0, −1 для х <0). Используя математическую индукцию, следует, что | х _п — х | ≤ 1/2 п .

Как показано в приведенном выше алгоритме, АЦП последовательного приближения требует:

1. Источник входного напряжения V _в .
2. Источник опорного напряжения V _ref для нормализации входа.
3. ЦАП для преобразования i- го приближения x _i в напряжение.
4. Компаратор для выполнения функции s ( x _i — x ) путем сравнения напряжения ЦАП с входным напряжением.
5. Регистр для хранения выходных данных компаратора и применения x _{i −1} — s ( x _{i −1} — x ) / 2 i .

Срабатывание АЦП последовательного приближения при падении входного напряжения от 5 до 0 В. Итерации по оси x . Значение приближения по оси y .

Пример: Десять шагов преобразования аналогового входа в 10-битный цифровой с использованием последовательного приближения показаны здесь для всех напряжений от 5 В до 0 В с итерациями 0,1 В. Поскольку опорное напряжение равно 5 В, когда входное напряжение также равно 5 В, все биты установлены. При снижении напряжения до 4,9 В очищаются только некоторые из младших битов. MSB будет оставаться установленным до тех пор, пока входное напряжение не станет равным половине опорного напряжения, 2,5 В.

Двоичные веса, присвоенные каждому биту, начиная со старшего бита, равны 2,5, 1,25, 0,625, 0,3125, 0,15625, 0,078125, 0,0390625, 0,01953125, 0,009765625, 0,0048828125. Все это в сумме дает 4,9951171875, что означает двоичное 1111111111 или один младший бит меньше 5.

Когда аналоговый вход сравнивается с внутренним выходом ЦАП, он эффективно сравнивается с каждым из этих двоичных весов, начиная с 2,5 В и либо сохраняя его, либо очищая в результате. Затем путем добавления следующего веса к предыдущему результату, повторного сравнения и повторения до тех пор, пока все биты и их веса не будут сравнены с входными данными, находится конечный результат — двоичное число, представляющее аналоговый вход.

Варианты

Тип счетчика АЦП

Цифро-аналоговый преобразователь можно легко развернуть, чтобы обеспечить обратную функцию аналого-цифрового преобразования. Принцип заключается в корректировке входного кода ЦАП до тех пор, пока выходной сигнал ЦАП не окажется в пределах ± 1 ⁄ 2 младшего разряда от аналогового входа, который должен быть преобразован в двоично-цифровую форму.

Сервопривод АЦП слежения

Это улучшенная версия счетного АЦП. Схема состоит из счетчика, направленного вверх-вниз, с компаратором, контролирующим направление счета. Аналоговый выход ЦАП сравнивается с аналоговым входом. Если входной сигнал больше, чем выходной сигнал ЦАП, выход компаратора становится высоким, и счетчик начинает отсчет. АЦП слежения имеет то преимущество, что он прост. Однако недостатком является время, необходимое для стабилизации, поскольку новое значение преобразования прямо пропорционально скорости, с которой изменяется аналоговый сигнал.

Что такое частота выборки?

Скорость, с которой сигналы преобразуются из аналоговых в цифровые, называется частотой выборки или частотой дискретизации. Оне не бывает плохой или хорошей — все зависит от сферы применения. Например, атмосферное давление за несколько минут или часов почти не меняется, а значит нет и необходимости измерять его более одного раза в секунду. С другой стороны, если вы пытаетесь измерить радиолокационную заметность, ваша частота выборки — сотни миллионов или даже миллиардов выборок в секунду.

Системы сбора данных служат для измерения напряжения и силы переменного тока, ударов и вибрации, температуры, деформации, давления и тому подобного. Сигналам и датчикам в диапазоне постоянного тока требуется частота выборки в среднем до 200 тысяч в секунду (200 квыб./с) а иногда и до миллиона (1 Мвыб./с).

Частота выборки обычно называется осью измерения T (время) или X.

АЦП последовательного приближения

В нашем МК используется АЦП последовательного приближения; рассмотрим данную топологию.

Принцип её действия основан дихотомии, последовательного деления на два и последующего сравнения. Для работы требуется три основных элемента: компаратор, регистр последовательного приближения и цифро-аналоговый преобразователь. ЦАП формирует напряжение, которое далее сравнивается на компараторе. На первом шаге в регистр записывается половина от максимального значения, т.е. ЦАП формирует напряжение равное ½ шкалы (для 5 В это 2,5 В). Если напряжение окажется выше чем сравниваемое (на выходе компаратора 1), то на втором шаге ЦАП понизит напряжение на ¼ (от максимального значения) и снова сравнит. Так будет продолжаться, пока все разряды не будут проверены. По такому же принципу работает алгоритм бинарного поиска. Легко догадаться: выше разрядность, меньше скорость.

Сама топология может быть реализована по-разному. Конкретно в stm32 используются ёмкости.

Описание работы других топологий можно найти в статье на Хабре: «Аналого-цифровое преобразование для начинающих».

5.3. Типовые схемы АЦП

Существуют различные типы АЦП. Мы остановимся лишь на тех типах, которые получили в настоящее время наибольшее распространение.

АЦП параллельного типа является самым быстродействующим. У него существенно меньше, чем у других АЦП время преобразования (tпр). Структурная схема АЦП параллельного типа приведена на рис. 51.

Рис. 51. Схема АЦП параллельного типа

Здесь входная аналоговая величина U_вх с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью 2n+1 – 1 компараторов с 2(2n-1) эталонными уровнями, образованными делителем из резисторов равного сопротивления. На вход делителя подается стабилизированное опорное напряжение U_оп. При этом срабатывают те (m) младших компараторов, на входе которых уровень сигнала выше эталонного уровня. На выходах этих компараторов образуется единичный код, на выходе остальных (n-m) нулевой код. Код с выхода компараторов затем с помощью специального кодера-дешифратора преобразуется в двоично-кодированный выходной сигнал.

Погрешность АЦПП определяется неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и погрешностями компараторов. Значительную роль могут играть входные токи компараторов, если делитель недостаточно низкоомный. Основной недостаток требуется набор прецизионных сопротивлений.

АЦП последовательного приближения является наиболее распространенным. Существует много различных вариантов схемы такого АЦП. Структурная схема АЦППП со счетчиком приведена на рисунке 52. Схема работает следующим образом. Входной аналоговый сигнал Х перед началом преобразования запоминается схемой выборки – хранения (В/Х), что необходимо, так как в процессе преобразования необходимо фиксировать значение аналогового сигнала. Сигнал с выхода схемы выборки – хранения подается на один из входов компаратора, на второй вход которого подается сигнал с выхода ЦАП. Состояние ЦАП определяется кодом, хранящимся в запоминающем устройстве (ЗУ), а этот код соответствует в свою очередь состоянию счетчика, входящего в состав устройства управления (УУ).

В начальный момент времени счетчик обнулен, на выходе ЦАП нулевой сигнал, на выходе компаратора сигнал логической единицы.

Рис. 52. Схема АЦП последовательного приближения

Далее по команде “Пуск” с генератора G на счетчик подаются тактовые счетные импульсы; код на выходе счетчик последовательно увеличивается; соответственно увеличивается напряжение на выходе ЦАП. Как только оно сравнивается с входным аналоговым сигналом, срабатывает компаратор, процесс счета останавливается и на выходе ЗУ формируется двоичный цифровой код, соответствующий входному аналоговому сигналу.

Погрешность АЦП определяется разрядностью АЦП, неточностью ЦАП, зоной нечувствительности и т. д.

, например для n=8 имеем d=100/256=0,4%.

На входе АЦП тоже включают аналоговый фильтр нижних частот, для уменьшения помех, после АЦП. В системах управления обязательно используют цифровой фильтр для усреднения сигнала, устранения влияния помех и субчастот.

Преобразование с контролем границ

Микроконтроллеры серии 1986ВЕ9х и 1901ВЦ1Т имеют в своём арсенале 2 независимых АЦП – ADC1, ADC2, которые входят в состав блока АЦП. Общая схема приведена на рисунке 1.

Основной идеей данного примера является использование контроля уровня входного сигнала. В начале примера зададим следующие переменные:

которые являются границами и за которыми МК будет следить. Изменять на входе напряжение будем с помощью подстроечного резистора, который согласно описанию платы, подключен к 7 каналу АЦП. Для этого необходимо установить перемычку на разъём XP6 в положение “TRIM” (рисунок 2).

Таким образом, в случае нарушения данных границ, то есть выхода за границы интервала от 0x800 до 0x900, МК возведёт флаг Flg REG AWOIFEN в регистре ADCx_STATUS.

Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи

Это последний частный случай, который будет рассмотрен в рамках статьи. Далее мы будем описывать принцип работы данных устройств, но уже на общем уровне. Этот АЦП является аналого-цифровым преобразователем с двухтактным интегрированием. Встретить подобное устройство можно в цифровом мультиметре. И это не удивительно, ведь они обеспечивают высокую точность и одновременно хорошо подавляют помехи.

Теперь давайте сосредоточимся на его принципе работы. Он заключается в том, что входным сигналом заряжается конденсатор на протяжении фиксированного времени. Как правило, этот период составляет единицу частоты сети, которая питает устройство (50 Гц или 60 Гц). Также он может быть кратным. Таким образом, подавляются высокочастотные помехи. Одновременно нивелируется влияние нестабильного напряжения сетевого источника получения электроэнергии на точность полученного результата.

Когда оканчивается время заряда аналого-цифрового преобразователя, конденсатор начинает разряжаться с определённой фиксированной скоростью. Внутренний счетчик устройства считает количество тактовых импульсов, которые формируются во время этого процесса. Таким образом, чем больше временной промежуток, тем значительнее показатели.

АЦП двухтактного интегрирования обладают высокой точностью и разрешающей способностью. Благодаря этому, а также сравнительно простой структуре построения они выполняются как микросхемы. Основной недостаток такого принципа работы – зависимость от показателя сети. Помните, что его возможности привязаны к длительности частотного периода источника питания.

Вот как устроен АЦП двойного интегрирования. Принцип работы данного устройства хотя и является довольно сложным, но он обеспечивает качественные показатели. В некоторых случаях такое бывает просто необходимым.

Интегрирующие АЦП

И последний тип АЦП, о котором пойдет здесь речь — АЦП двухтактного интегрирования. В цифровых мультиметрах, как правило, используются именно такие АЦП, т.к. в этих измерительных приборах необходимо сочетание высокого разрешения и высокого помехоподавления. Идея преобразования в таком интегрирующем АЦП гораздо менее сложна, чем в сигма-дельта АЦП.

На рисунке 6 показан принцип работы АЦП двухтактного интегрирования. Входной сигнал заряжает конденсатор в течение фиксированного периода времени, который обычно составляет один период частоты питающей сети (50 или 60Гц) или кратен ему. При интегрировании входного сигнала в течение промежутка времени такой длительности высокочастотные помехи подавляются. Одновременно исключается влияние нестабильности напряжения сетевого источника питания на точность преобразования. Это происходит потому, что значение интеграла от синусоидального сигнала равно нулю, если интегрирование осуществляется во временном интервале, кратном периоду изменения синусоиды.

Рис. 6. Интегрирующий АЦП. Зеленым цветом показана помеха от сети (1 период)

По окончании времени заряда АЦП разряжает конденсатор с фиксированной скоростью, в то время как внутренний счетчик подсчитывает количество тактовых импульсов за время разряда конденсатора. Большее время разряда, таким образом, соответствует большему значению показаний счетчика и большему измеряемому напряжению (рис. 6).

АЦП двухтактного интегрирования имеют высокую точность и высокую разрешающую способность, а также имеют сравнительно простую структуру. Это дает возможность выполнять их в виде интегральных микросхем. Основной недостаток таких АЦП — большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети. Например, для 50 Гц — оборудования частота дискретизации АЦП двухтактного интегрирования не превышает 25 отсчетов/сек. Конечно, такие АЦП могут работать и с большей частотой дискретизации, но при увеличении последней помехозащищенность падает.

Микроконтроллер C8051F064

Кристалл C8051F064 представляет собой скоростной 8-разрядный микроконтроллер для совместной обработки аналоговых и цифровых сигналов с двумя интегрированными 16-разрядными АЦП последовательных приближений. Встроенные АЦП могут работать в однопроводном и дифференциальном режимах при максимальной производительности до 1М отсчетов/сек. На рис. 17 приведены основные характеристики АЦП микроконтроллера C8051F064. Для самостоятельной оценки возможностей C8051F064 по цифровой и аналоговой обработке данных можно воспользоваться недорогим оценочным комплектом C8051F064EK (рис. 18). Комплект содержит оценочную плату на базе C8051F064, USB-кабель, документацию, а также программное обеспечение для тестирования аналоговых динамических и статических характеристик интегрированного высокоточного 16-разрядного АЦП. VDD= 3.0 V, AV+ = 3.0 V, AVDD = 3.0 V, VREF = 2.50 V (REFBE=0), -40 to +85°, если не указано иначе

Cписок литературы.

1. https://www.wbc-europe.com/en/services/pim_application_guide.html
2. www.silabs.com

Быстродействие

АЦП используется для разных задач: в осциллографе важна большая скорость оцифровки сигналов, а точностью можно пренебречь; в измерительном приборе скорость не сильно важна, важна точность. В общем виде правило такое: чем выше скорость выборки, тем меньше точность измерения. Для тех или иных задач были придуманы разные топологии. Вот некоторые из них:

• Параллельные, прямого преобразования — обычно не превышают разрядности в 8 бит;
• Последовательные, например последовательного приближения (англ. successive approximation, или просто SAR) — как раз такие применяются в STM32F10x;
• Сигма-Дельта АЦП — применяются в STM32F3x серии (эти микроконтроллеры созданы больше для задач цифровой обработки сигналов).
• и другие.

5.4. Интеллектуальные датчики

В настоящее время все чаще применяют «интеллектуальные датчики». Интеллектуальный датчик имеет встроенный микропроцессор, выполняющий некоторую обработку сигнала, и поэтому может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости. В круг возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный расход, температуру и давление – в массовый расход, т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики, автоматическая калибровка.

Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих видов сигналов, аналоговый используется для трансляции значения измеренного параметра, а цифровой – для функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать измеряемый параметр. d = 0,075%. Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для существующих систем.

Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований сигнала 4..20 мА. Но цифровой способ измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на последовательную передачу информационной посылки), которая может быть неприемлема для управления быстродействующими контурами.

Цифровой датчик позволяет хранить последовательную информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов. Для сильно распределенных объектов интеллектуальному датчику нет альтернативы. благодаря встроенному интерфейсу с промышленной локальной сетью.

В класс интеллектуальных цифровых устройств входят и специализированные микросхемы, например контроллеры для работы с термопарами.

Фирма Analog Device выпускает AD596/AD597 – монолитные контроллеры, оптимизированные для использования в условиях любых температур в различных случаях. В них осуществляется компенсация напряжения холодного спая и усиление сигналов с J- и К-термопары таким образом, чтобы получить сигнал, пропорциональный температуре. Схемы могут быть подстроены так, чтобы обеспечить выходное напряжение 10 мВ/°С непосредственно от термопар типа J или К. Каждый из чипов размещен в металлическом корпусе с десятью выводами и настроен на работу при температуре окружающей среды от 25°С до 100°С.

AD596 усиливает сигналы термопары, работающей в температурном диапазоне от 200°С до +760°С, рекомендованном для термопар типа J, в то время как AD597 работает в диапазоне от -200°С до +1250°С (диапазон термопар типа К). Усилители откалиброваны с точностью ±4°С при температуре окружающей среды 60°С и характеризуются температурной стабильностью 0,05°С/°С при изменении температуры окружающей среды в пределах от 25°С до 100°С.

Все вышеописанные усилители не в состоянии компенсировать нелинейность термопары: они способны лишь корректировать и усиливать сигнал с термопарного выхода. АЦП с высокой разрешающей способностью, входящие в семейство AD77xx, могут использоваться для прямой оцифровки сигнала с выхода термопары, без предварительного усиления. Преобразование и линеаризацию осуществляет микроконтроллер. Два мультиплексируемых входа АЦП используются для прямой оцифровки сигнала с термопары и с теплового датчика, находящегося в контакте с ее холодным спаем. Вход PGA (программируемого усилителя) программируется на усиление от 1 до 128, и разрешающая способность АЦП лежит в пределах от 16 до 22 бит в зависимости от того, какая из микросхем выбрана пользователем. Микроконтроллер осуществляет как компенсацию напряжения холодного спая, так и линеаризацию характеристики.

АЦП последовательного приближения (РПП)

«Рабочая лошадка» сферы обработки данных — это аналогово-цифровой преобразователь РПП. Он обеспечивает превосходный баланс скорости и разрешения и обрабатывает широкий спектр сигналов с отменной точностью.

Этот преобразователь существует уже давно, поэтому модели РПП стабильны и надежны, а чипы относительно недороги. Они могут быть настроены как для простых АЦП-карт, где один АЦП-чип «совместно используется» несколькими входными каналами (мультиплексные АЦП-платы), так и для моделей, где каждый входной канал имеет свой собственный АЦП для одновременной выборки.

Блок-схема типичного РПП

Аналоговый вход большинства АЦП составляет 5 В, поэтому почти все интерфейсы формирования сигнала преобразовывают его одинаково. Типичный АЦП последовательного приближения использует схему выборки и хранения, которая принимает преобразованное аналоговое напряжение от интерфейса преобразования сигнала.

Встроенная система обработки данных создает аналоговое опорное напряжение, равное выходному сигналу цифрового кода устройства выборки-хранения. Оба сигнала передаются в компаратор, который отправляет результат сравнения в РПП. Этот процесс продолжается в течение n последовательных раз, причем n является битовым разрешением самого АЦП, пока не будет найдено значение, ближайшее к фактическому сигналу.

АЦП последовательного приближения не имеют внутреннего механизма фильтрации-сглаживания, поэтому, если в системе сбора данных такой компонент не предусмотрен перед АЦП, при выборе слишком низкой частоты выборки ложные сигналы (они же «помехи») будут оцифрованы АЦП РПП. Искажение особенно проблематично, поскольку его невозможно исправить после оцифровки.

Нет способа исправить его с помощью программного обеспечения. Оно должно быть предотвращено путем постоянной выборки на частоте, превышающей частоту Найквиста всех входных сигналов, либо путем фильтрации сигналов перед и внутри АЦП.

Дополнительные сведения см. в разделе «Искажение и опасность недостаточной частоты выборки» ниже

АЦП РПП — надежное решение для многих современных систем сбора данных. Они широко используются на рынке бюджетных устройств, поскольку их можно использовать в мультиплексном режиме, когда выборка по нескольким каналам осуществляется с помощью одного АЦП. Они также широко используются для устройств средней ценовой категории благодаря скорости и хорошему разрешению амплитудной оси.

Из-за ограниченного разрешения амплитудной оси они не подходят для высокодинамичных измерений, включая шум, звук, удар и вибрацию, балансировку, обработку синусоидальных сигналов и т.д

Для таких сфер применения следует обратить внимание на дельта-сигма АЦП, как рассказывается в следующем разделе

Как выяснить, что у вас телевизор может принимать нужный стандарт вещания?

У многих россиян уже есть «плоские» телевизоры, но и среди них есть такие, которые не подходят для приема цифрового вещания

И на это надо обратить внимание. Приемник должен поддерживать стандарт DVB-Т2

Информация об этом указана на нем.

Но чтобы такой телевизор ловил цифровой сигнал стандарта DVB-Т2, нужна дециметровая антенна. Она может быть как домашней, так и общедомовой.

Инфографика «РГ»: Александр Чистов/ Татьяна Шадрина

Пока домов, где есть такие общие антенны, единицы, и поэтому регионам рекомендовано принять меры по восстановлению систем коллективного приема эфирного телевидения в многоквартирных жилых домах, но уже в цифровом формате. Основная часть оставшихся на крышах домов антенн — аналоговая. Их надо постепенно менять на дециметровые.

Похожие записи:

Управляемый стабилизатор напряжения tl431 (on semiconductor) Uln2803a описание на русском Какими способами можно проверить диод мультиметром Проверка высоковольтного трансформатора микроволновки мультиметром и другими приборами Российские электрические розетки против американских розеток Стандарты маркировки резисторов по сопротивлению и мощности: описание и расшифровка