Реферат на тему:
Автоматична корекція нуля. Перетворення біполярних вхідних сигналів.
Сігма-дельта АЦП
Як випливає з (10), статична точність АЦП багатотактного інтегрування
визначається тільки точністю джерела опорної напруги та зсувом нуля
інтегратора та компаратора, які сумуються з опорною апругою. Зсув нуля
можна усунути автоматичною компенсацією. Для цього в цикл перетворення
вводять додаткову стадію установки нуля (див. рис. 11), під час якої
інтегратор відключається від джерел сигналів та разом з компаратором
охоплюється глибоким негативним зворотним зв’язком, як це показано на
рис 13. Тут як компаратор використовується ОП. Між інтегратором та
входом АЦП увімкнено неінвертуючий повторювач як буферний підсилювач Б.
Рис.13 АЦП двотактного інтегрування з автоматичною компенсацією зсуву
нуля
У фазі автоматичної компенсації нуля ключі S1, S3, S5 розімкнуті, а
ключі S2, S4, S6, S7 – замкнуті. Тому інтегратор, компаратор та буферний
підсилювач утворять повторювач напруги, вихідна напруга якого Uдо
подається на конденсатор автоматичної компенсації Сак Вхідна напруга
буферного підсилювача дорівнює нулю, а вихідна – його зсуву нуля U0б
Після закінчення перехідних процесів на конденсаторі Сак установиться
напруга, яка рівна U0б+U0та, де U0та – зсув нуля інтегратора. Одночасно
конденсатор Соп заряджається від джерела опорної напруги
На стадії інтегрування вхідної напруги ключі S4 та S7 розмикаються, а S1
– замикається. Тому що на цей час напруга на конденсаторі Сак
запам’ятовується, зсув нуля протягом фази інтегрування компенсується.
При цьому дрейф нуля визначається тільки короткочасною нестабільністю,
яка дуже мала. Те ж саме зберігається на стадії відліку
Оскільки в контурі компенсації зсуву нуля послідовно увімкнено два
підсилювачі, то легко можуть виникнути автоколивання. Для стабілізації
послідовно з ключем S7 варто включити резистор.
Після закінчення фази інтегрування схема керування аналізує вихідну
напругу компаратора. Якщо середнє значення вхідної напруги позитивне, то
на виході компаратора встановлюється напруга високого рівня. У цьому
випадку одночасно з розмиканням ключа S1 замикаються ключі S4 та S5,
підключаючи до входу буферного підсилювача конденсатор Соп зі збереженою
на ньому опорною напругою, причому так, що ця напруга має полярність,
яка протилежна полярності джерела опорної напруги. Якщо середнє значення
вхідної напруги негативне, то на виході компаратора встановлюється
напруга низького рівня. Тоді замикаються ключі S3 та S6, підключаючи до
входу буферного підсилювача опорний конденсатор іншими полюсами. В обох
випадках у стадії відліку відбувається зміна напруги інтегратора Uта(t)
у напрямку, що протилежний тому, який мав місце в стадії інтегрування.
Одночасно схема управління формує код знаку. Таким чином, у
найпростішому випадку вихідний код АЦП являє собою прямий код із знаком
Інтегральні АЦП багатотактного інтегрування виготовляються у виді
напівпровідникових ІМС. Можна розрізнити дві головні групи:
схеми з паралельним чи послідовним виходом для сполучення з
мікропроцесорами (наприклад, ICL7109, вихідне слово якого включає 12 біт
плюс знак у паралельному 14-ти чи 8-ми розрядному коді, чи 18-розрядний
плюс знак МАХ132 з послідовним інтерфейсом);
схеми з двійковими-десятковими лічильниками з дешифраторами для
управління семисегментними індикаторами, у тому числі
мультиплексованими. Такі АЦП застосовуються як основа для цифрових
вольтметрів. Прикладами можуть служити ICL7106 (вітчизняний аналог –
572ПВ5) із діапазоном +/-2000 відліків чи ICL7135 (вітчизняний аналог –
572ПВ6) із діапазоном +/-40000 відліків.
Сігма-дельта АЦП
АЦП багатотактного інтегрування мають ряд недоліків. По-перше,
нелінійність перехідної статичної характеристики операційного
підсилювача, на якому виконують інтегратор, помітним чином позначається
на інтегральній нелінійності характеристики перетворення АЦП високої
роздільної здатності. Для зменшення впливу цього фактора АЦП
виготовляють багатотактними. Наприклад, 13-розрядний AD7550 виконує
перетворення в чотири такти. Іншим недоліком цих АЦП є та обставина, що
інтегрування вхідного сигналу займає в циклі перетворення тільки
приблизно третю частину. Дві третини циклу перетворювач не приймає
вхідний сигнал. Це погіршує завадостійкісні властивості інтегруючого
АЦП. По-третє, АЦП багатотактного інтегрування повинен мати досить
велику кількість зовнішніх резисторів та конденсаторів з високоякісним
діелектриком, що значно збільшує місце, яке перетворювач займає на платі
та, як наслідок, підсилює вплив завад
Ці недоліки багато в чому усунуті в конструкції сігма-дельта АЦП (у
ранній літературі ці перетворювачі називалися АЦП із врівноваженням чи
балансом зарядів). Своєю назвою ці перетворювачі зобов’язані наявністю в
них двох блоків: суматора (позначення операції – ?) та інтегратора
(позначення операції – ? ). Один із принципів, закладених у такого роду
перетворювачах, що дозволяє зменшити похибку, внесену шумами, а отже
збільшити роздільну здатність – це усереднення результатів виміру на
великому діапазоні часу
Рис.14 Структурна схема сігма-дельта модулятора
Основні вузли АЦП – це сігма-дельта модулятор та цифровий фільтр. Схема
n-розрядного сігма-дельта модулятора першого порядку наведена на рис.
14. Робота цієї схеми заснована на відніманні від вхідного сигналу
Uвх(t) величини сигналу на виході ЦАП, отриманої на попередньому такті
роботи схеми. Отримана різниця інтегрується, а потім перетвориться в код
паралельним АЦП невисокої розрядності. Послідовність кодів надходить на
цифровий фільтр нижніх частот
Порядок модулятора визначається кількістю інтеграторів та суматорів у
його схемі. Сігма-дельта модулятори N-го порядку містять N суматорів та
N інтеграторів та забезпечують більше співвідношення сигнал/шум при тій
ж частоті відліків, ніж модулятори першого порядку. Прикладами
сігма-дельта модуляторів високого порядку є одноканальний AD7720 сьомого
порядку та двохканальный ADMOD79 п’ятого порядку
Рис.15 Структурна схема сігма-дельта АЦП
Найширше в складі ІМС використовуються однобітні сігма-дельта
модулятори, у яких у якості АЦП використовується компаратор, а в якості
ЦАП – аналоговий комутатор (рис. 15). Принцип дії пояснений у табл. 2 на
прикладі перетворення вхідного сигналу, рівного 0,6 В, при Uоп=1 В.
Нехай постійна часу інтегрування інтегратора чисельно дорівнює періодові
тактових імпульсів. У нульовому періоді вихідна напруга інтегратора
скидається в нуль. На виході ЦАП також встановлюється нульова напруга.
Потім схема проходить через показану в табл. 9 послідовність станів
Таблиця 2
E
I
E
I
gd?cU
Si
Ff
=
=
У тактові періоди 2 та 7 стани системи ідентичні, тому що при незмінному
вхідному сигналі Uвх=0,6В цикл роботи займає п’ять тактових періодів.
Усереднення вихідного сигналу ЦАП за цикл дійсно дає величину напруги
0,6 В:
(1-1+1+1+1)/5=0,6.
Для формування вихідного коду такого перетворювача необхідно яким-небудь
чином перетворити послідовність біт на виході компаратора у виді
унітарного коду в послідовний чи паралельний двійковий позиційний код. У
найпростішому випадку це можна зробити за допомогою двійкового
лічильника. Візьмемо в нашому прикладі 4-розрядний лічильник. Підрахунок
біт на виході компаратора за 16-ти тактний цикл дає число 13. Нескладно
побачити, що при Uвх=1 В на виході компаратора завжди буде одиниця, що
дає за цикл число 16, тобто переповнення лічильника. Навпаки, при Uвх=-1
В на виході компаратора завжди буде нуль, що дає рівний нулю вміст
лічильника наприкінці циклу. У випадку, якщо Uвх=0 то, як це видно з
табл. 2, результат відліку за цикл складе 810 чи 10002. Це значить, що
вихідне число АЦП представляється в зміщеному коді. У розглянутому
прикладі верхня границя повної шкали складе 11112 чи +710, а нижня –
00002 чи -810. При Uвх=0,6 В, як це видно з лівої половини табл. 2,
уміст лічильника складе 1310 у зміщеному коді, що відповідає +5. З
огляду на те, що +8 відповідає Uвх=1 В, знайдемо
5*1/8=0,625 > 0,6 У.
При використанні двійкового лічильника як перетворювач потоку бітів, які
надходять з виходу компаратора, необхідно виділяти фіксований цикл
перетворення, тривалість якого дорівнює добуткові Kл fтакт. Після його
закінчення повинне відбуватися зчитування результату, наприклад, за
допомогою регістра та обнулення лічильника. У цьому випадку з огляду
завадостійкісних властивостей сігма-дельта АЦП близькі до АЦП
багатотактного інтегрування. Більш ефективним є з цього погляду
застосування в сігма-дельта АЦП цифрових фільтрів з кінцевою тривалістю
перехідних процесів
У сігма-дельта АЦП зазвичай застосовуються цифрові фільтри з
амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) виду (sinx/x)3. Передаточна
функція такого фільтра в z-області визначається виразом
де М – ціле число, яке задається програмно та дорівнює відношенню
тактової частоти модулятора до частоти відліків фільтру. (Частота
віджліків – це частота, з якої обновлюються дані).Наприклад, для АЦП
AD7714 це число може приймати значення від 19 до 4000. У частотній
області модуль передаточної функції фільтра
(13)
На рис. 16 наведено графік амплітудно-частотної характеристики цифрового
фільтра, яка побудована відповідно до виразу (13) при fтакт=38,4 кгц та
М=192, що дає значення частоти відліків, котра збігається з першою
частотою режекції фільтра АЦП, fвід=50Гц. Порівняння цієї АЧХ з АЧХ
коефіцієнта придушення завад АЦП із двохкратним інтегруванням (див. рис.
12) показує значно кращі завадостійкісні властивості сігма-дельта АЦП.
У той же час застосування цифрового фільтра нижніх частот у складі
сігма-дельта АЦП замість лічильника викликає перехідні процеси при зміні
вхідної напруги. Час установлення цифрових фільтрів з кінцевою
тривалістю перехідних процесів, як випливає з їхньої назви, кінцевий та
складає для фільтра виду (sinx/x)3 чотири періоди частоти відліків, а
при початковому обнуленні фільтра – три періоди. Це знижує швидкодію
систем збору даних на основі сігма-дельта АЦП. Тому випускаються ІМС
AD7730 та AD7731, обладнані складним цифровим фільтром, що забезпечують
переключення каналів з часом установлення 1 мс при збереженні ефективної
розрядності не нижче 13 біт (так званий Fast-Step режим). Звичайно
цифровий фільтр виготовляється на тім ж кристалі, що і модулятор, але
іноді вони випускаються у виді двох окремих ІМС (наприклад, AD1555 –
модулятор четвертого порядку та AD1556 – цифровий фільтр).
Рис.16АЧХ цифрового фільтра сігма-дельта АЦП
Порівняння сігма-дельта АЦП із АЦП багатотактного інтегрування показує
значні переваги перших. Насамперед, лінійність характеристики
перетворення сігма-дельта АЦП вища, ніж у АЦП багатотактного
інтегрування рівної вартості. Це пояснюється тим, що інтегратор
сігма-дельта АЦП працює в значно більш вузькому динамічному діапазоні,
та нелінійність перехідної характеристики підсилювача, на якому
побудований інтегратор, позначається значно менше. Ємність конденсатора
інтегратора в сігма-дельта АЦП значно менша (десятки пікофарад), так що
цей конденсатор може бути виготовлений прямо на кристалі ІМС. Як
наслідок, сігма-дельта АЦП практично не має зовнішніх елементів, що
істотно скорочує площу, яку він займає на платі, та знижує рівень шумів.
У результаті, наприклад, 24-розрядний сігма-дельта АЦП AD7714
виготовляється у виді однокристальної ІМС у 24-вивідному корпусі,
споживає 3 мвт потужності та коштує приблизно 14 доларів США, а
18-розрядний АЦП восьмитактного інтегрування HI-7159 споживає 75 мвт та
коштує близько 30 доларів. До того ж сігма-дельта АЦП починає давати
правильний результат через 3-4 відліки після стрибкоподібної зміни
вхідного сигналу, що при величині першої частоти режекції, рівної 50 Гц,
та 20-розрядному розрішенні складає 60-80 мс, а мінімальний час
перетворення АЦП HI-7159 для 18-розрядного дозволу та тієї ж частоти
режекції складає 140 мс. У даний час ряд ведучих по аналого-цифровим ІМС
фірм, такі як Analog Devices та Burr-Brown, припинили виробництво АЦП
багатотактного інтегрування, цілком перейшовши в області Ац-перетворення
високого розрішення на сігма-дельта АЦП.
Сігма-дельта АЦП високого розрішення мають розвиту цифрову частину, що
включає мікроконтролер. Це дозволяє реалізувати режими автоматичної
установки нуля та самокалібрування повної шкали, зберігати калібровані
коефіцієнти та передавати їх за запитом зовнішнього процесора
Використана література:
Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая
школа, 1978.
Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной
электроники. -М.: Высшая школа, 1975.
Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.
Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Высшая
школа, 1988.
Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: высшая
школа, 1982.
Гершунский В.С. Основы электроники. – К.: Вища школа, головн. из-во,
1982.
Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.:Энергоатомиздат, 1985.
Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. – М.: Высшая школа,
1986.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
