Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных по курсу

Главная страница
Контакты

    Главная страница


Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных по курсу



страница3/4
Дата06.01.2017
Размер0,89 Mb.


1   2   3   4

2.3.3. Архитектура последовательного приближения
Алгоритм последовательного приближения осуществляет аналого-цифровое преобразование за несколько циклов путем использования ранее определенных битов для получения следующего бита цифрового кода (рисунок 2.6). Здесь, после выборки входного напряжения, оно сравнивается с половинным значением динамического диапазона АЦП. Таки образом определяется первый бит выходного кода. В следующем цикле происходит сравнение с четвертью диапазона, получение второго бита и так далее. Алгоритм преобразования для n-разрядного АЦП занимает максимум (n+1) циклов, включая цикл выборки входного напряжения.

Рисунок 2.6 – График последовательного приближения


Структурная схема АЦП последовательного приближения представлена на рисунке 2.7. Достоинствами АЦП данного типа являются простота схемы и низкая потребляемая мощность. Скорость преобразования обратно пропорциональна разрядности АЦП.

Рисунок 2.7 – Структурная схема АЦП последовательного приближения



2.3.4. Интегрирующие АЦП
Преобразование входного сигнала в АЦП данного типа осуществляется в два этапа (рисунок 2.8). На первом этапе происходит заряд интегрирующего конденсатора входным напряжением в течение фиксированного промежутка времени (периода интегрирования). На втором этапе происходит разряд конденсатора заданным током до нулевого напряжения. Длительность разряда при этом пропорциональна величине входного напряжения.

Рисунок 2.8 – Процесс преобразования входного напряжения

в интегрирующем АЦП
АЦП данного типа обладают следующими преимуществами:

– нечувствительность к импульсным помехам;

– нечувствительность к периодическим помехам, если их период в целое число раз меньше периода интегрирования;

– разрядность 14…20 бит;

– ключевая особенность – нечувствительность к изменениям тактовой частоты.

Однако недостатком является низкое время преобразования, порядка 1…1000мс.




2.3.5. Сигма-дельта архитектура
Архитектура сигма-дельта относится к классу АЦП с передискретизацией. Ключевая особенность таких преобразователей состоит в многократной выборке входного сигнала с последующей обработкой. Блок-схема сигма-дельта АЦП представлена на рисунке 2.9.

В схему входят следующие функциональные блоки:

– АЦП на базе сигма-дельта модулятора высокого порядка;

– цифровой фильтр нижних частот;



– дециматор (прореживающий фильтр).

Рисунок 2.9 – Блок-схема сигма-дельта АЦП


Блок АЦП производит оцифровку входного сигнала, а также подавление возникающего шума на низких частотах, за счет вытеснения его в область высоких частот. Выходной сигнал с преобразователя поступает на цифровой фильтр нижних частот, где производится его усреднение. Последним каскадом сигма-дельта преобразователя является фильтр децимации. Его основная функция – понижение скорости передачи выходных данных, чтобы она соответствовала полосе частот входного сигнала. Процесс преобразования частотного спектра сигнала в сигма-дельта АЦП представлен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 – Изменение спектра входного сигнала в процессе преобразования


Эффективный алгоритм подавления шумов позволяет получать сигма-дельта АЦП высокой разрядности. Соответственно, АЦП данного типа обеспечивают минимальную погрешность дискретизации, по сравнению с другими преобразователями. Недостатком архитектуры сигма-дельта является невозможность обработки быстро изменяющихся сигналов.
Выводы
Аналого-цифровые преобразователи обладают рядом характеристик, которые необходимо учитывать при проектировании систем сбора данных. Первое, на что следует обратить внимание при выборе АЦП – скорость изменения входного сигнала и его допустимая погрешность преобразования. Из рассмотренных архитектур наибольшей скоростью преобразования обладают АЦП параллельного преобразования и конвейерного типа; наибольшей разрядностью – сигма-дельта АЦП. Архитектура последовательного приближения занимает промежуточное положение и отличается относительной простотой реализации.

3. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ

ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
При проектировании цепей для измерения аналоговых сигналов, необходимо учитывать множество факторов, чтобы в результате измерения получить достоверные данные. Например, при построении ССД на базе резистивных датчиков, необходимо учитывать изменение сопротивления при изменении физической величины; погрешность измерений, вызванная влиянием цепей передачи сигналов; температурный коэффициент изменения сопротивления; погрешность измерения; влияние помех и т.д.

Ситуация усложняется, когда необходимо построить систему, работающую с различными по скорости изменения и точности представления физическими величинами.


3.1. Измерение напряжения и тока
Преобразование напряжения и тока в цифровой код используется при построении цифровых вольт- и амперметров. Простейшая схема цифрового вольтметра представлена на рисунке 3.1. Здесь измеряемое напряжение при необходимости усиливается и фильтруется, после чего поступает на вход АЦП. Обработку цифрового кода, полученного с выхода АЦП, осуществляет микроконтроллер, который затем выдает необходимую информацию на устройство индикации. В качестве пребразователя может быть использован внутренний АЦП микроконтроллера.

Рисунок 3.1 – Структурная схема цифрового вольтметра


При использовании 8-битного АЦП удобно использовать ИОН с напряжением 2,55В, в этом случае для диапазона входных напряжений (0…2,55В) существенно упрощается обработка цифрового кода. При использовании в качестве устройства индикации семисегментного индикатора, вместо микроконтроллера может быть использована специализированная микросхема.

Для построения цифрового амперметра может быть использована та же схема, что и для вольтметра, с добавлением преобразователя ток → напряжение. Пример такого преобразователя представлен на рисунке 3.2.


Рисунок 3.2 – Преобразователь ток → напряжение на основе ОУ


Здесь при помощи резистора R в обратной связи операционного усилителя можно настраивать диапазон напряжений на выходе.

3.2. Измерение температуры
Температура в большинстве случаев является медленно изменяющейся физической величиной, поэтому для ее измерения можно выбирать АЦП с низкими частотами дискретизации. Погрешность температуры, однако, может варьироваться в широком диапазоне.

Наиболее распространенными типами датчиков, которые можно использовать в схемах измерения температуры, являются термопара, резистивный температурный датчик (РТД), термистор и интегральный датчик температуры.



На рисунке 3.3 представлена зависимость сопротивления термопары от температуры. Как видно, зависимость является нелинейной. Следовательно, при обработке оцифрованного сигнала с датчика, необходимо использовать таблицу соответствия цифрового кода и реальной температуры.

Рисунок 3.3 – Зависимость сопротивления термопары от температуры


Для подачи сигнала с резистивных датчиков на вход АЦП целесообразно использовать дифференциальный способ включения с использованием моста Уитсона, как показано на рисунке 3.4. Дифференциальное включение обеспечивает подавление синфазных помех, что снижает погрешность измерения.

Выбор АЦП для измерения температуры можно продемонстрировать на примере: при использовании платинового РТД-элемента с сопротивлением 100 Ом при 0 ºС и питающем токе 200 мкА номинальное значение диапазона полной шкалы выходного напряжения (при -200…+600 ºС) составляет 66,2 мВ. С учетом того, что температура является медленно изменяющимся сигналом, наиболее целесообразно использовать в данной схеме сигма-дельта АЦП.


Рисунок 3.4 – Дифференциальное включение датчиков


Принципиальная схема измерения температуры с применением сигма-дельта АЦП показана на рисунке 3.5 [4]. АЦП преобразует слабый сигнал резистивного температурного датчика, включенного по четырехпроводной схеме, в цифровой код. Для питания датчика используется источник тока 200 мкА, расположенный в преобразователе. Для устранения эффекта наложения спектров используются простейшие ФНЧ.

Рисунок 3.5 – Принципиальная схема измерения температуры


Данная схема сочетает высокую точность работы четырехпроводной схемы включения РТД-элемента и возможности сигма-дельта преобразователя. По двум проводам РТД протекает питающий ток, а с двух оставшихся напряжение сигнала термо-элемента поступает на дифференциальные входы сигма-дельта АЦП.
3.3. Измерение освещенности
Для измерения освещенности в качестве датчиков используются фотодиоды. Фотодиоды преобразуют энергию светового потока в слабый ток, пропорционально уровню излучения источника света. Далее полученный ток преобразуется с помощью предварительного усиления в требуемый для дальнейшей обработки уровень напряжения.

Освещенность, в отличие от температуры, может изменяться с достаточно быстрой скоростью, поэтому сигма-дельта АЦП менее эффективны. Принципиальная схема измерения освещенности с применением АЦП последовательного приближения показана на рисунке 3.6 [4]. Световой поток, попадающий на фотодиод, вызывает в нем 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. ФНЧ подавляет высокочастотные составляющие, вносимые в сигнал операционным усилителем, после чего сигнал поступает на вход АЦП последовательного приближения.

Как видно из рисунка, необходимость усиления измеряемого сигнала значительно усложняет схему, требует введения дополнительных аналоговых цепей, которые, в свою очередь, вносят искажения в сигнал, что в конечном итоге увеличивает погршеность получаемых данных.

Для измерения освещенности также можно использовать сигма-дельта АЦП. При этом с одной стороны погрешность измерения повышается из-за невысокого быстродействия АЦП; с другой стороны – снижается, так как используется меньше аналоговых элементов.



Рисунок 3.6 – Принципиальная схема измерения освещенности

1   2   3   4

  • 2.3.4. Интегрирующие АЦП
  • 2.3.5. Сигма-дельта архитектура
  • 3. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
  • 3.1. Измерение напряжения и тока
  • 3.2. Измерение температуры
  • 3.3. Измерение освещенности