Ацп с входным напряжением

Что такое АЦП

АПЦ — это Аналого-Цифровой Преобразователь. По английски ADC (Analog-to-Digital Converter). То есть специальное устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровой.

АЦП применяется в цифровой технике. В частности, почти все современные микроконтроллеры имеют встроенный АЦП.

Как вы уже наверняка знаете, микропроцессоры (как и компьютерные процессоры) не понимают ничего, кроме двоичных чисел. Из этого следует, что микропроцессор (который является основой любого микроконтроллера) не может напрямую обработать аналоговый сигнал.

Например, если вы создаёте программу для микроконтроллера, которая отслеживает температуру, то микропроцессор должен каким-то образом понять, что, например, напряжение 1В на его аналоговом входе соответствует температуре 10 градусов, а 5В — температуре 100 градусов (это просто пример, пока не обращайте внимание на числа).

Для того, чтобы объяснить это микропроцессору, который, как мы помним, понимает только двоичные числа, используется АЦП, который, как я уже сказал, преобразует аналоговый сигнал в двоичный код. Далее в общих чертах рассмотрим работу АЦП.

Принцип работы АЦП

Итак, мы узнали, что АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Но как он это делает?

Я не буду рассказывать, как это происходит на уровне электронных схем — это тема для электронщиков. Разработчикам же устройств на микроконтроллерах (особенно начинающим), вполне достаточно знать общий принцип работы АЦП, чтобы понимать, как будет работать создаваемое ими устройство и достаточна ли будет точность измеряемого аналогового значения.

Итак, первым делом АЦП должен преобразовать аналоговый сигнал в дискретный. Для чего это нужно?

Как вы уже знаете, аналоговый сигнал — это непрерывный сигнал. То есть такой сигнал может принимать бесконечное количество значений, и ни у какого процессора не хватит “мозгов” для обработки всех этих значений.

Поэтому первая задача АЦП — это разбить измеряемый диапазон на какое-то конечное количество значений.

Например, мы хотим измерить напряжение в диапазоне от 0 до 9 В. Допустим, нам достаточно точности в 1В. Тогда мы разбиваем этот диапазон на 10 значений и получаем, что каждому значению напряжения соответствует такое же число. То есть 0 — это 0 В, 5 — 5 В и т.п.

А как же, например, напряжение 4,3 В? Да никак. Оно просто округляется, и АЦП преобразует его в число 4. Этот простой пример отображён на рисунке ниже.

Возникает вопрос — а как измерять большие напряжения? Или как повысить точность (например, если мы хотим измерять напряжение с точностью до 0,1В)?

Расскажу и об этом, но сначала о разрядности АЦП.

Разрядность АЦП

Разрядность АЦП — это разрядность его выходного сигнала. То есть количество битов в числе, которое получается на выходе АЦП.

Например, 8-разрядный АЦП может выдать 2 8 = 256 значений — от 0 до 255 (если речь идёт о положительных числах).

Это значит, что измеряемый диапазон (сигнал на входе АЦП или на аналоговом входе микроконтроллера) мы можем разбить на 256 значений. Таким образом мы можем определить точность измеряемого значения, которую может обеспечить данный АЦП. Сделать это можно по формуле:

Где Р — это разрядность АЦП, Д — диапазон измеряемых значений, Х — точность (дискретность).

Например, если вам надо измерять напряжение в диапазоне 0. 9В, то Д = 10. А если в диапазоне -5. 15В, то Д = 21 (не забываем про ноль).

Например, если у нас 8-разрядный АЦП, и мы хотим измерять напряжение в диапазоне 0. 255В, то точность измерений будет:

256 / 2 8 = 256 / 256 = 1 В

Если же мы хотим измерять напряжение с этим же АЦП в диапазоне 0. 15В, то точность измерений будет:

16 / 2 8 = 16 / 256 = 0,0625 В

Из этого следует, что для того, чтобы повысить точность, требуется либо сузить диапазон измеряемых значений, либо повысить разрядность АЦП. Например:

256 / 212 = 256 / 4096 = 0,0625 В

То есть 12-разрядный АЦП обеспечит уже довольно высокую точность даже при измерении сигналов с относительно большим диапазоном значений.

Разумеется, измерять можно не только напряжение, но и другие физические величины — это зависит от датчика, который подключен к АЦП. Но для АЦП безразлично, что измерять. Он всего лишь преобразует аналоговый сигнал в цифровой. А о том, как получить аналоговый сигнал нужной формы на входе АЦП, должен позаботиться разработчик устройства на микроконтроллере.

АЦП микроконтроллера обычно измеряет только напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания микроконтроллера.

Характеристики АЦП

АЦП бывают разные, с разными характеристиками. Основная характеристика — это разрядность. Однако есть и другие. Например, вид аналогового сигнала, который можно подключать к входу АЦП.

Все эти характеристики описаны в документации на АЦП (если он выполнен в виде отдельной микросхемы) или в документации на микроконтроллер (если АЦП встроен в микроконтроллер).

Кроме разрядности, о которой мы уже говорили, можно назвать ещё несколько основных характеристик.

Least significant bit (LSB) — младший значащий разряд (МЗР). Это наименьшее входное напряжение, которое может быть измерено АЦП. Определяется по формуле:

1 LSB = Uоп / 2 Р

Где Uоп — это опорное напряжение (указывается в характеристиках АЦП). Например, при опорном напряжении 1 В и разрядности 8 бит, получим:

1 LSB = 1 / 2 8 = 1 / 256 = 0,004 В

Integral Non-linearity — интегральная нелинейность выходного кода АЦП. Понятно, что любое преобразование вносит искажения. И эта характеристика определяет нелинейность выходного значения, то есть отклонение выходного значения АЦП от идеального линейного значения. Измеряется эта характеристика в LSB.

Иными словами, эта характеристика определяет, насколько “кривой” может быть линия на графике выходного сигнала, которая в идеале должна быть прямой (см. рис.).

Абсолютная точность. Также измеряется в LSB. Иными словами, это погрешность измерения. Например, если эта характеристика равна +/- 2 LSB, а LSB = 0,05 В, то это означает, что погрешность измерений может достигать +/- 2*0,05 = +/- 0,1В.

Есть у АЦП и другие характеристики. Но для начала и этого более чем достаточно.

Подключение АЦП

Напомню, что аналоговые сигналы, в основном, бывают двух видов: токовые и напряжения. Кроме того, сигналы могут иметь стандартный диапазон значений, и нестандартный. Стандартные диапазоны значений аналоговых сигналов описаны в ГОСТах (например, ГОСТ 26.011-80 и ГОСТ Р 51841-2001). Но, если в вашем устройстве используется какой-то самодельный датчик, то сигнал может и отличаться от стандартного (хотя я советую в любых случаях выбирать какой-нибудь стандартный сигнал — для совместимости со стандартными датчиками и другими устройствами).

АЦП в основном измеряют напряжение.

Попробую рассказать о том (в общих чертах), как подключить аналоговый датчик к АЦП и как потом разобраться с теми значениями, которые будет выдавать АЦП.

Итак, допустим, что мы хотим измерять температуру в диапазоне -40…+50 градусов с помощью специального датчика со стандартным выходом 0. 1В. Допустим, что у нас есть датчик, который может измерять температуру в диапазоне -50…+150 градусов.

Если температурный датчик имеет стандартный выход, то, как правило, напряжение (или ток) на выходе датчика изменяется по линейному закону. То есть мы можем легко определить, какое напряжение будет на выходе датчика при заданной температуре.

Что такое линейный закон? Это когда диапазон значений на графике выглядит как прямая линия (см. рис.). Зная, что температура от -50 до +150 даёт на выходе датчика напряжение, изменяемое по линейному закону, мы, как я уже сказал, можем вычислить это напряжение для любого значения температуры на заданном диапазоне.

В общем, чтобы в нашем случае диапазон температур преобразовать в диапазон напряжений, нам надо каким-то образом сопоставить две шкалы, одна из которых является диапазоном температур, а другая — диапазоном напряжений.

Определить напряжение по температуре визуально можно по графику (см. рис. выше). Но микроконтроллер глаз не имеет (хотя, конечно, можно поразвлекаться и создать устройство на микроконтроллере, способное распознавать образы и определять значение температуры по напряжению на графике, но оставим эти развлечения фанатам робототехники)))

Первым делом определяем диапазон температур. Он у нас от -50 до 150, то есть 201 градус (не забываем про ноль).

А диапазон измеряемых напряжений — от 0 до 1 В.

То есть в шкалу от 0 до 1 нам надо впихнуть диапазон от 0 до 200 (всего 201).

Находим коэффициент преобразования:

К = U / Tд = 1 / 200 = 0,005 (1)

То есть при изменении температуры на 1 градус напряжение на выходе датчика будет меняться на 0,005 В. Здесь Тд — это температурный диапазон. Не значения температуры, а количество единиц измерения (в нашем случае градусов) на температурной шкале, сопоставляемой со шкалой напряжения (ноль не учитываем для упрощения, так как в диапазоне напряжений тоже есть ноль).

Проверяем характеристики АЦП микроконтроллера, который мы планируем использовать. Значение LSB не должно быть более К (более 0,005 в нашем случае, точнее, это допустимо, если вас устроит погрешность более 1 единицы измерения — более 1 градуса в нашем случае).

По сути К — это вольт на градус, то есть так мы узнали, на какое значение изменяется напряжение при изменении температуры на 1 градус.

Теперь у нас есть все необходимые данные, чтобы в программе микроконтроллера преобразовать значение на выходе АЦП в значение температуры.

Мы помним, что мы сместили диапазон температур на 50 градусов. Это надо учитывать при преобразовании значения на выходе АЦП в температуру.

А формула будет такая:

Например, если на выходе АЦП 0,5 В, то

Т = (U / К) — 50 = (0,5 / 0,005) — 50 = 100 — 50 = 50 градусов

Теперь нам надо определить дискретность, то есть желаемую точность измерений.

Как вы помните, абсолютная погрешность может составлять несколько LSB. К тому же ещё существуют нелинейные искажения, которые обычно равны 0,5 LSB. То есть общая погрешность АЦП может доходить до 2-3 LSB.

В нашем случае это:

Uп = 3 LSB * 0,005 = 0,015 В

Если в вашем случае не так всё гладко, то снова используем формулу, выведенную из (1):

Тд = Uп / K = 0,015 / 0,005 = 3

Если погрешность в 3 градуса вас устраивает, то можно ничего не менять. Ну а если нет, то придётся подобрать АЦП с большей разрядностью либо подыскать другой датчик (с другим температурным диапазоном или с другим выходным напряжением).

Например, если вам удастся найти датчик с диапазоном -40…+50, как мы и хотели, и с таким же выходом 0. 1В, то

Тогда абсолютная погрешность будет:

Тд = Uп / K = 0,015 / 0,01 = 1,5 градуса.

Это уже более-менее приемлемо. Ну а если у вас будет датчик с выходом 0. 5В (это тоже стандартный сигнал), то

А абсолютная погрешность будет:

Тд = Uп / K = 0,015 / 0,05 = 0,3 градуса.

Это уже вообще ништяк.

Но! Не забывайте, что здесь мы рассматриваем только погрешность АЦП. Но и у самого датчика тоже есть погрешность, которую также надо учитывать.

Но всё это уже из области электроники и метрологии, поэтому данную статью я здесь и закончу.

А в конце на всякий случай приведу формулу обратного преобразования температуры в напряжение:

U = K * (Tв + 50) = 0,005 * (150 + 50) = 1

P.S. Писал эту статью после тяжёлого рабочего дня, так что если что где напутал — прошу прощения )))

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП): назначение, устройство, применение.

Что такое АЦП?

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.

Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП.

Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)−1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10мВ. Время преобразования tпp — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала

По параллельному методу входное напряжение одновременно сравниваются с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной.

Принцип действия АЦП (рис. 3.93)

При U_вх = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений (U₊ − U₋) < 0 (U₊, U₋ — напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны −Е_пит а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Z₀, Z₁, Z₂ устанавливаются нули. Если U_вх > 0,5U, но меньше 3/2U, лишь для нижнего ОУ (U₊ − U₋) > 0 и лишь на его выходе появляется напряжение +Е_пит, что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Z₀ = 1, Z₂ = Z_l = 0. Если U_вх > 3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Е_пит, что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.

Посмотрите интересное видео о работе АЦП:

АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала

Это АЦП последовательного счета, который называют АЦП со следящей связью (рис. 3.94). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе U_вх и на выходе ЦАП −U. Если входное напряжение U_вх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства U_вх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)).

Принцип действия рассматриваемого АЦП рис. 3.95) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения U_вх. Использованы следующие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генератор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик импульсов.

Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ

Отмеченный во временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН.

Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства U_вх и U_глин. Через U_Сч обозначено напряжение на входе счетчика.

Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

АЦП с двойным интегрированием

Такой АЦП реализует метод последовательного преобразования входного сигнала (рис. 3.96). Использованы следующие обозначения: СУ — система управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик импульсов.

Принцип действия АЦП состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения U_вх интегратором на основе ОУ (напряжение U_и на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего — интегрирование опорного напряжения U_оп (U_и меняется от максимальной по модулю величины до нуля) (рис. 3.97).
Пусть время t₁ интегрирования входного сигнала постоянно, тогда чем больше второй отрезок времени t₂ (отрезок времени, в течение которого интегрируется опорное напряжение), тем больше входное напряжение. Ключ К_З предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние.

В первый из указанных отрезков времени ключ К₁ замкнут, ключ К₂ разомкнут, а во второй, отрезок времени их состояние является обратным по отношению к указанному. Одновременно с замыканием ключа К₂ импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч.

Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю.

Напряжение на выходе интегратора по истечении отрезка времени t₁ определяется выражением

Используя аналогичное выражение для отрезка времени t₂, получим

Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.

Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП — малое быстродействие.

Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 3.3) Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшим — АЦП последовательного преобразования.

Предлагаем посмотреть ещё одно достойное видео о работе и устройстве АЦП:

Типы аналого-цифровых преобразователей — полное руководство

Что такое АЦП?
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Читайте также: Что нужно знать о световой температуре светодиодной лампы

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)−1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10мВ. Время преобразования tпp — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

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.

Пример

Давайте рассмотрим АЦП SC9711. Принцип работы данного устройства сложен ввиду его размера и возможностей. Кстати, говоря о последних, необходимо заметить, что они по-настоящему разнообразные. Так, к примеру, частота возможной работы колеблется от 10 Гц до 10 МГц. Иными словами, оно может делать 10 млн отсчетов в секунду! Да и само устройство не является чем-то цельным, а имеет модульную структуру построения. Но используется оно, как правило, в сложной технике, где необходимо работать с большим количеством сигналов.

Почему важна частота выборки?

Понимание характера сигналов и их максимально возможных частот является важной частью точных измерений. Предположим, мы хотим измерить выходной сигнал акселерометра.

Если мы ожидаем, что он будет испытывать колебания с максимальной частотой 100 Гц, мы должны установить частоту выборки по крайней мере в два раза больше (принцип Найквиста). На практике же для получения качественного сигнала лучше устанавливать частоту выборки в 10 раз больше. Поэтому в этом случае мы устанавливаем частоту выборки 1000 Гц и выполняем измерение.

Читайте также: Как правильно подойти к выбору датчика света, описание и классификация

Теоретически все как надо, но что, если частота сигнала при высокой амплитуде не увеличилась? Если это так, то наша система не сможет точно измерить или преобразовать сигнал. Кроме того, измеренные значения могут оказаться вовсе неверными.

Чтобы представить себе искажения из-за недостаточной частоты выборки, посмотрите старый фильм про проезжающий вагон, когда камеры еще снимали со скоростью 24 кадра в секунду: при разных скоростях это может выглядеть так, как будто колеса вращаются назад или же вообще не двигаются.

Это своего рода стробоскопический визуальный эффект, вызванный гармонической зависимостью между частотой вращения колеса и скоростью съемки камеры. Возможно, вам попадались видео, где кажется, что вертолет висит в воздухе, а его лопасти вообще не двигаются. Это происходит, если выдержка камеры была синхронизирована со скоростью вращения лопастей вертолета.

Это несущественно для кинематографии, но если мы занимаемся наукой, для нас невозможно серьезно полагать, что колеса автомобиля вращаются назад, а быстро вращающиеся лопасти вертолета не двигаются.

При оцифровке АЦП сигналов напряжения важна точная установка частоты выборки. Если задать слишком высокое значение, мы потратим впустую вычислительную мощность и в конечном итоге получим файлы данных, которые слишком велики и неудобны для анализа. Слишком низкая частота выборки, в свою очередь, порождает две проблемы:

1. утрата важных компонентов динамического сигнала;
2. получение ложных («паразитных») сигналов (если в системе не применяется фильтрация-сглаживание).

Наглядный пример слишком низкой частоты выборки: исходный сигнал и результат (в черном цвете) — ложный сигнал (шум). [Изображение из открытого источника]

Выбираем АПЦ с необходимым нам принципом работы

Допустим, перед нами стоит определенная задача. Какое выбрать устройство, чтобы оно могло удовлетворить все наши запросы? Для начала давайте поговорим про разрешающую способность и точность. Очень часто их путают, хотя на практике они очень слабо зависят один от второго. Запомните, что 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. В этом случае разрешение – это мера того, какое количество сегментов может быть выделено с входного диапазона измеряемого сигнала. Так, 8-разрядные АЦП обладают 2 8 =256 такими единицами.

Точность – это суммарное отклонение полученного результата преобразования от идеального значения, которое должно быть при данном входном напряжении. То есть первый параметр характеризует потенциальные возможности, которые имеет АЦП, а второй показывает, что же мы имеем на практике. Поэтому нам может подойти и более простой тип (например, прямые аналого-цифровые преобразователи), который позволит удовлетворить потребности благодаря высокой точности.

Чтобы иметь представление о том, что нужно, для начала необходимо просчитать физические параметры и построить математическую формулу взаимодействия. Важными в них являются статические и динамические погрешности, ведь при использовании различных компонентов и принципов построение устройства они будут по-разному влиять на его характеристики. Более детальную информацию можно обнаружить в технической документации, которую предлагает производитель каждого конкретного прибора.

Фильтрация-сглаживание

Можно в принципе избежать искажений из-за недостаточной частоты выборки путем фильтрации аналоговых сигналов до передачи их в АЦП. Обратите внимание, что для захвата интересующего частотного диапазона по-прежнему важно установить достаточно высокую частоту выборки, однако фильтрация-сглаживание позволяет исключить ложные сигналы, не нарушая целостности измерений.

В идеале фильтрация-сглаживание даст очень плоскую полосу пропускания и очень резкое снижение частоты Найквиста (около половины частоты выборки).

Диаграмма частотных границ сглаживающего фильтра

В сглаживающем фильтре аналоговый фильтр нижних частот обычно устанавливается перед АЦП. Это отсекает прохождение сигналов, превышающих половину максимальной полосы пропускания АЦП. 16-битные АЦП последовательного приближения в модулях Dewesoft SIRIUS-HS основаны на этом принципе.

В 24-битных дельта-сигма АЦП систем Dewesoft имеется дополнительный фильтр ЦОС-процессора, который автоматически перенастраивается в зависимости от частоты выборки, заданной пользователем. Такой всесторонний подход обеспечивает самую надежную на данный момент фильтрацию-сглаживание в системах сбора данных.

Оптимальный инструмент для работы

Хотя знаковыми решениями Dewesoft являются 24-битные дельта-сигма АЦП и технология DualCoreADC, компания также использует 16-битные АЦП последовательного приближения для достижения максимальной частоты выборки 1 Мвыб./с в линейке систем сбора данных SIRIUS.

Читайте также: Как подключить галогеновые лампы на 220 вольт видео

К ним относятся высокоскоростные преобразователи сигналов SIRIUS HS. В преобразователях сигналов стандартной и HD-серии используются 24-битные дельта-сигма АЦП.

Преобразователи сигналов SIRIUS HS реализуют мощную фильтрацию-сглаживание в форме фильтрации 100 кГц 5-го порядка. В цифровой области предусмотрен дополнительный фильтр (Бесселя, Баттерворта (или обходной) на выбор) вплоть до 8-го порядка.

Мощная фильтрация-сглаживание встроена во все 24-битные преобразователи сигналов АЦП от Dewesoft.

Ознакомьтесь с системами сбора данных компании Dewesoft с передовым преобразованием сигналов

Что такое битовое разрешение и почему оно важно?

Частота выборки, рассмотренная в предыдущем разделе, отображается осью времени (T или X) цифрового потока данных, а битовое разрешение — осью амплитуды (Y).

В эпоху зарождения сбора данных 8-битные АЦП были обычным явлением. На момент написания этой статьи 24-битные АЦП являются стандартом для большинства систем сбора данных, предназначенных для проведения динамических измерений, а 16 бит считаются минимальным разрешением для сигналов в целом. Существует ряд бюджетных систем, использующих 12-битные АЦП.

Поскольку каждый бит разрешения эффективно удваивает разрешение преобразования, системы с 24-битными АЦП обеспечивают 2^24 = 16 777 216. Таким образом входной одновольтный сигнал можно разделить на более чем 16 миллионов шагов по оси Y.

16 777 216 шагов для 24-битного АЦП значительно лучше, чем максимальные теоретические 65 656 шагов для 16-битного АЦП. Таким образом, чем выше разрешение, тем лучше форма и точность волновых функций. То же самое применимо и к оси времени.

Сравните 24-битное разрешение (оранжевый) и 16-битное (серый)

Технология DualCoreADC® и почему она важна

Одной из давних инженерных проблем с амплитудной осью является динамический диапазон. Например: что делать, если у нас есть сигнал, который обычно составляет менее 5 вольт, но иногда может резко колебаться вверх? Если мы установим разрешение АЦП в расчете на 0–5 В, то система будет полностью перегружена, если сигнал превысит этот уровень.

Одним из решений было бы задействовать два канала, настроенных на разные коэффициенты усиления; и на один из них направлять данные 0–5 В, а на другой — с более высокой амплитудой. Но это очень неэффективно: мы не можем использовать два канала для каждого входного сигнала — это вдвое снизит производительность системы сбора данных. Также усложнится и затянется анализ данных после каждого измерения.

Технология DualCoreADC® от компании Dewesoft решает эту проблему путем использования двух отдельных 24-битных АЦП на канал, а также автоматического переключения между ними в режиме реального времени и создания единого непрерывного канала. Эти два АЦП всегда измеряют высокий и низкий коэффициент усиления входного сигнала. Благодаря этому достигается полное измерение диапазона датчика и предотвращается отсечение сигнала.

Благодаря технологии DualCoreADC® системам сбора данных SIRIUS удается достичь соотношения «сигнал-шум» 130 дБ и более 160 дБ в динамическом диапазоне. Это в 20 раз лучше, чем могут обеспечить типичные 24-битные системы.

Мультиплексирование или один АЦП на канал

Очень часто в недорогих системах сбора данных, таких как регистраторы данных или промышленные системы управления, используются мультиплексные АЦ-платы, поскольку они дешевле, чем реализация отдельных чипов АЦП на каждый входной канал.

В мультиплексной системе АЦП один аналого-цифровой преобразователь оцифровывает сразу несколько аналоговых сигналов. Это достигается путем мультиплексирования аналоговых сигналов по одному в АЦП.

Это более экономичный подход, однако невозможно точно выровнять сигналы по оси времени, поскольку только один сигнал может быть преобразован за один раз. Поэтому между каналами всегда существует временной перекос. Если небольшие искажения некритичны в данной сфере применения, то это необязательно плохо. То же самое относится и к аналоговым устройствам, используемым в системе: важен выбор оптимального решения с учетом функциональности и срока службы.

Кроме того, поскольку максимальная частота выборки всегда делится на количество считываемых каналов, максимальная частота выборки на канал в мультиплексных системах обычно ниже, за исключением случаев, когда регистрируется только один или небольшое число каналов.

Что касается современных систем сбора данных, мультиплексные АЦП используются в основном в бюджетных решениях, где стоимость важнее точности или скорости.

Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)?

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются одним из основных элементов современных систем сбора данных. Такие системы состоят из следующих базовых компонентов:

• датчиков (см. справочник «Что такое датчики?»);
• преобразователей сигналов (см. руководство «Что такое преобразование сигналов?»);
• аналого-цифровых преобразователей (АЦП) (данная статья)
• и какого-либо компьютера с ПО для сбора данных, позволяющего регистрировать и анализировать сигналы.

АЦП играют большую роль в современных цифровых системах сбора данных

Пять основных технологий АЦП

В настоящее время используются пять основных типов АЦП. Каждый занимает свою нишу соответственно битовому разрешению и частоте выборки. Рассмотрим каждый тип подробнее, включая принципы работы и применение.

Сравнение основных типов АЦП

Тип АЦП	Преимущества	Недостатки	Макс. разрешение	Макс. частота выборки	Сферы применения
Последовательного приближения (РПП)	Хорошее соотношение скорости и разрешения	Отсутствие внутренней защиты от искажения	18 бит	10 МГц	Сбор данных
Дельта-сигма (ΔΣ)	Высокая динамическая производительность, встроенная защита от искажения	Отставание на искусственных сигналах	32 бита	1 МГц	Сбор данных, шум и вибрация, аудио
Сдвоенный	Точный, недорогой	Низкая скорость	20 бит	100 Гц	Вольтметры
Конвейерный	Очень быстрый	Ограниченное разрешение	16 бит	1 ГГц	Осциллоскопы
Параллельный	Самый быстрый	Низкое битовое разрешение	12 бит	10 ГГц	Осциллоскопы

Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и, следовательно, пригоден для решения определенных задач. Рассмотрим каждый:

Основные типы аналого-цифровых преобразователей

Хотя на сегодняшний день существует пять основных типов АЦП, в сфере сбора данных все сводится к двум из них:

• АЦП последовательного приближения и
• дельта-сигма.

Другие типы тоже вполне эффективны, но лучше подходят для сфер применения, не связанных со сбором данных. Например, сдвоенные АЦП работают довольно медленно и поэтому применяются в основном в ручных вольтметрах.

Читайте также: Цветовая модель RGB и цветовая модель CMYK: доступное руководство

Кроме того, существуют параллельные АЦП, которые обеспечивают чрезвычайно высокую частоту выборки, но их разрешение по амплитудной оси слишком низкое для нужд сбора данных. Конвейерные АЦП основаны на использовании нескольких параллельных преобразователей для повышения разрешения по амплитудной оси, но их возможности пока ограничены.

Сравнение основных типов АЦП

Тип АЦП	Преимущества	Недостатки	Макс. разрешение	Макс. частота выборки
Сдвоенный	Низкая стоимость	Низкая скорость	20 бит	100 Гц
Параллельный	Очень быстрый	Низкое битовое разрешение	12 бит	10 ГГц
Конвейерный	Очень быстрый	Ограниченное разрешение	16 бит	1 ГГц
Последовательного приближения (РПП)	Хорошее соотношение скорости и разрешения	Отсутствие внутренней защиты от искажения	18 бит	10 МГц
Дельта-сигма (ΔΣ)	Высокая динамическая производительность, защита от искажения	Отставание на искусственных сигналах	32 бита	1 МГц

Таким образом, специалисты в области сбора данных остановились на АЦП последовательного приближения (РПП) и дельта-сигма (ΔΣ) АЦП. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и, следовательно, пригоден для решения определенных задач. Рассмотрим принцип работы каждого АЦП и сравним их:

АЦП последовательного приближения (РПП)

«Рабочая лошадка» сферы обработки данных — это аналогово-цифровой преобразователь последовательного приближения (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.

Преимущества:

• простая схема с одним компаратором;
• возможна более высокая частота выборки по сравнению с дельта-сигма АЦП;
• хорошо справляется с естественными и искусственными формами сигнала.

Недостатки:

• необходимость внешней фильтрации-сглаживания;
• битовое разрешение и динамический диапазон ограничены по сравнению с дельта-сигма АЦП.

Применение

Сферы применения АЦП последовательного приближения, включают системы сбора данных от недорогих мультиплексных до высокоскоростных систем с одним АЦП на канал, промышленные системы контроля и измерения, визуализацию КМОП-структур.

Аналого-цифровое преобразование для начинающих

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

«

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

• АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
• АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
• дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.
Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.

Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгори, восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: https://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Читайте также: Принципиальная электрическая схема электродвигателя насоса

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: https://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Немного истории

Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.

Рис. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-020.pdf W. Kester. ADC Architectures II: Successive Approximation ADC. Analog Devices, MT-021 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-021.pdf W. Kester. ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics. Analog Devices, MT-022 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-022.pdf W. Kester. ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications. Analog Devices, MT-023 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-023.pdf

Дельта-сигма АЦП (ΔΣ)

Более новая технология — это дельта-сигма АЦП, использующие преимущества технологии ЦОС для повышения разрешения амплитудной оси и уменьшения высокочастотного шума квантования, присущего РПП.

Сложные и мощные дельта-сигма АЦП идеальны для динамических измерений, требующих как можно большего разрешения амплитудной оси. Именно их применяют при работе со звуком и вибрациями, а также во многих передовых системах сбора данных. Также они широко используются для высокоточных промышленных измерений.

Блок-схема типичного дельта-сигма АЦП

Фильтр нижних частот, реализованный в процессоре ЦОС, практически исключает шумы квантования, что обеспечивает отношение «сигнал-шум», близкое к идеальному.

Дельта-сигма АЦП работают с многократным превышением частоты выборки. Затем ЦОС-процессор на основе выбранной пользователем скорости создает из этой огромной выборки поток данных высокого разрешения. Превышение частоты выборки может быть в сотни раз больше заданной. Так получается поток данных очень высокого разрешения (обычно 24 бита), что позволяет использовать многоступенчатую фильтрацию-сглаживание, практически исключающую оцифровку ложных сигналов. Однако по той же причине дельта-сигма АЦП обычно медленнее АЦП РПП.

Преимущества:

• высокое разрешение выходных данных (24 бита);
• превышение частоты выборки уменьшает шум квантования;
• встроенная фильтрация-сглаживание.

Недостатки:

• ограничение до 200 тысяч выборок/с;
• эффективность обработки искусственных сигналов ниже, чем в РПП.

Применение

Дельта-сигма АЦП применяются в системах сбора данных, особенно шума и вибрации; промышленной балансировке, анализа вибрации кручения и вращения, контроле качества электроэнергии, точных промышленных измерениях, аудио- и голосовой связи и различных коммуникациях.

Что лучше? РПП или дельта-сигма?

Каждая технология АЦП имеет свои преимущества. И поскольку сферы применения слишком различны, нельзя сказать, что одна из них лучше другой в целом. Тем не менее, можно утверждать, что одна из них лучше другой по ряду критериев современных систем:

Критерий	АЦП последовательного приближения	Дельта-сигма (ΔΣ) АЦП
Требуется максимальное разрешение амплитудной оси (даже для медленных сигналов, таких как термопары)	Обычно максимум 16 или 18 бит	Предпочтительнее. Разрешение 24 бита фактически является современным стандартом среди дельта-сигма плат.
Необходимо использовать недорогую мультиплексную АЦ-плату	Единственный вариант. Можно мультиплексировать один АЦП РПП на нескольких каналах для создания недорогих систем сбора данных, если небольшие искажения не критичны.	Н/Д
Требуется максимально возможная частота выборки	Предпочтительнее. Существуют АЦП последовательного приближения для сбора данных с частотой выборки до 10 Мвыб./с.	Встроенный ЦОС-процессор ограничивает макс. частоту выборки дельта-сигма АЦП по сравнению с АЦП РПП.
Желательна фильтрация-сглаживание	Дорого и сложно добавить в АЦП последовательного приближения.	Предпочтительнее, поскольку фильтрация-сглаживание встроена в дельта-сигма АЦП.
Требуется максимальное соотношение «сигнал-шум»	Единственный вариант. Возможно достижение 160 дБ с помощью запатентованной технологии DualCoreADC® компании Dewesoft.
В основном будут регистрироваться искусственные сигналы (например, прямоугольные)	Лучше воспроизводит прямоугольные волны.

Подробнее о различных типах АЦ-преобразователей:

Полное руководство по аналого-цифровым преобразователям

Сдвоенные АЦП

Сдвоенные АЦП точны, но медленны. Они преобразуют аналоговые данные в цифровые с помощью интегратора. Подается напряжение и в течение какого-то времени оно растет. Затем подается напряжение противоположной полярности и падает до нуля. После этого система вычисляет, каким было входное напряжение, сравнивая время его повышения и понижения с эталонным. Время роста и спада напряжения — две половины целого, что и дало название этой технологии.

Процесс последовательных приближений надежный, но медленный, так что приходится искать компромисс между разрешением и скоростью, в отличие от РПП или дельта-сигма АЦП. В итоге сдвоенные (или «интеграторные») АЦП применяются в ручных многоцелевых электроизмерительных приборах, но не в системах сбора данных.

Типичный интегрирующий усилитель с компаратором, таймером и контроллером

Преимущества:

• очень точное измерение.

Недостатки:

• долгое время преобразования из-за итераций повышения и понижения.

Применение

Сдвоенные АЦП применяются в ручных и настольных многоцелевых электроизмерительных приборах.

Параллельные АЦП

Параллельные АЦП очень быстрые, поэтому их обычно используют, если требуются максимально высокие частоты выборки. Они преобразуют аналоговые сигналы в цифровые, сравнивая их с эталонными значениями. Больше эталонных значений — выше точность. Например, если используется параллельный АЦП с 10-битным разрешением, придется сравнивать входной аналоговый сигнал с 1024 эталонными значениями. В случае 8-битного разрешения — с 256 и так далее.

Для более высокого разрешения потребуются более энергоемкие параллельные АЦП при одновременном снижении частоты выборки.

«Золотой серединой» в этом случае является 8-битное разрешение. Параллельные АЦП могут оперировать Гвыб./с с сохранением 8-битного разрешения.

Схема параллельного АЦП

Преимущества:

• самые быстрые из АЦП;
• быстрое преобразование без задержек.

Недостатки:

• энергоемкость схемы возрастает с каждым битом;
• разрешение фактически ограничено 8-битным.

Применение

Параллельные АЦП применяются в самых быстрых цифровых осциллографах, сверхвысокочастотных измерениях, оптоволоконных технологиях, радиолокационном обнаружении цели и в широкополосном радио.

Конвейерные АЦП

Если по условиями применения нужны частоты выборки больше, чем способны обеспечить РПП и дельта-сигма АЦП, но меньше, чем сверхбыстрые параллельные, выходом будут конвейерные АЦП.

В предыдущем разделе о параллельных АЦП пояснялась причина работы без задержек: компараторы фиксируются одновременно. Но для этого требуется много энергии, особенно когда для достижения высокого разрешения используются все больше и больше компараторов. В конвейерном АЦП аналоговый сигнал не фиксируется всеми компараторами одновременно, что распределяет энергию, затрачиваемую на преобразование аналогового значения в цифровое. Таким образом, флэш-компараторы «конвейеризуются» в квазипоследовательный процесс из 2–3 циклов. Преимущество в том, что при низкой энергоемкости достигаются высокие разрешения, но есть два нюанса: а) частота выборки не может быть такой же высокой, как у параллельных АЦП; б) появляется задержка около 3 циклов. Эти нюансы можно смягчить, но невозможно исключить.

Пример конвейерного АЦП

Этот вид АЦП часто используется для испытаний с частотой выборки в пределах от 2–3 до 100 Мвыб./с (до 1 Гвыб./с). Если требуются более высокие частоты выборки, обращаются к параллельным АЦП. Разрешение конвейерных АЦП может достигать 16 бит при низких частотах выборки; при максимальных частотах выборки — 8 бит. Всегда присутствует компромисс между скоростью и разрешением.

Преимущества:

• скорость сопоставима с параллельным АЦП (и быстрее РПП и дельта-сигма).

Недостатки:

• задержка из-за последовательного «конвейерного» преобразования;
• максимальная частота выборки ограничена битовым разрешением.

Применение

Конвейерные АЦП используются в цифровых осциллографах, радиолокации, программных радиостанциях, анализаторах спектра, для HD-видео, ультразвуковой визуализации, в цифровых приемниках, кабельных модемах и локальных сетях.

Характеристики АЦП

АЦП бывают разные, с разными характеристиками. Основная характеристика — это разрядность. Однако есть и другие. Например, вид аналогового сигнала, который можно подключать к входу АЦП.

Все эти характеристики описаны в документации на АЦП (если он выполнен в виде отдельной микросхемы) или в документации на микроконтроллер (если АЦП встроен в микроконтроллер).

Кроме разрядности, о которой мы уже говорили, можно назвать ещё несколько основных характеристик.

Least significant bit (LSB) — младший значащий разряд (МЗР). Это наименьшее входное напряжение, которое может быть измерено АЦП. Определяется по формуле:

Где Uоп — это опорное напряжение (указывается в характеристиках АЦП). Например, при опорном напряжении 1 В и разрядности 8 бит, получим:

1 LSB = 1 / 28 = 1 / 256 = 0,004 В

Integral Non-linearity — интегральная нелинейность выходного кода АЦП. Понятно, что любое преобразование вносит искажения. И эта характеристика определяет нелинейность выходного значения, то есть отклонение выходного значения АЦП от идеального линейного значения. Измеряется эта характеристика в LSB.

Иными словами, эта характеристика определяет, насколько “кривой” может быть линия на графике выходного сигнала, которая в идеале должна быть прямой (см. рис.).

Абсолютная точность. Также измеряется в LSB. Иными словами, это погрешность измерения. Например, если эта характеристика равна +/- 2 LSB, а LSB = 0,05 В, то это означает, что погрешность измерений может достигать +/- 2*0,05 = +/- 0,1В.

Есть у АЦП и другие характеристики. Но для начала и этого более чем достаточно.