Тема 11
Устройства непрерывно-дискретного преобразования БМС
Аналоговая и цифровая схемотехника
На входе АЦП полезный сигнал + шумы и искажения =>
ОГЛЯДЫВАЕМСЯ НАЗАД.
Точность обусловлена допуском и диапазонами линейности элементов схемы.
В цифровых схемах характеристикой является – время, в аналоговых
схемах – частота
Важно понимать взаимодействие цифровой и аналоговой части схем
1
Выборка сигнала
Выборка – процесс получения достаточного количества дискретных значений сигнала в точках, определяющих форму сигнала.
Аналоговый сигнал имеет спектр частотных компонент.
Для синусоидального сигнала – гармоники (кратные частоты)
Перед дискретизацией применяют ФНЧ (сглаживание) для устранения частот гармоник выше частоты Найквиста
Теорема отсчетов (выборки) Котельникова (Найквиста-Шеннона)
Для представления любого аналогового сигнала в дискретном виде частота дискретизации fSAMPLE должна быть как минимум вдвое больше, чем самая высокая частотная компонента fA(MAX) аналогового сигнала.
Самая высокая аналоговая частота не может превышать половины частоты дискретизации
fSAMPLE > fA(MAX) , где fA(MAX) – частота Найквиста
2
Необходимость в фильтрации перед дискретизацией
ФНЧ гарантирует соблюдение условий теоремы отчетов при дискретизации сигнала
НО! АЦП имеет ограничение в частоте выборке.
Низкочастотная фильтрация – для удаления частотных компонент (гармоник)
аналогового сигнала,
которые превышают частоту Найквиста.
Алиасинг («наложение» спектров, aliasining) – в
аналоговом сигнале присутствуют частотные компоненты,
превышающие частоту Найквиста.
Примеры эффекта алиасинга
Частота выборки 44,1 кГц используется для аудиозаписи
CD
44,1 / 2 = 22,05 кГц – превышает предельные характеристики распространенных аудиоустройств.
3
Значение выборки хранения
Уровень выборки поддерживается постоянным до следующей выборки,
чтобы АЦП успел обработать выборочное значение.
Форма волны «ступенька» аппроксимированная к форме волны входного аналогового сигнала.
Аналогово-цифровое преобразование
Аналогово-цифровое преобразование – процесс преобразования выходного сигнала схемы выборки-хранения в последовательность двоичного кода, который представляет собой амплитуду аналогового входа в каждый из моментов дискретизации.
Постоянная амплитуда сигнала => аналого-цифровое преобразование с использованием постоянного значения в течении интервала между импульсами выборки.
4
2-битное квантования
Квантование – процесс преобразования аналогового значения в код.
Чем больше битов используется для представления выборочного значения, тем точнее представление
ЧИСЛО УРОВНЕЙ КВАНТОВАНИЯ K = 2k, где k – разрядность
(количество битов, кодирующее один уровень квантования)
Результат 2-битного преобразования
2-битное квантование => 4 уровня квантования (2n)
5
4-битное квантование
Результат 4-битного квантования
В результате получаем сигнал с меньшими искажениями
4-битное квантование => 16 уровня квантования (2n)
6
Элементы АЦП
Инвертирующий усилитель на ОУ с
высоким внутренним входным
сопротивлением и виртуальным
нулем на инвертирующем входе:
VOUT / VIN = – Rf / Ri
Компаратор, переходит в насыщенное состояние в зависимости от того, на каком из дифференциальных входов напряжение больше:
HIGH для « + »
LOW для « – »
Разрешение АЦП
Разрешение АЦП – количество битов (двоичных разрядов),
используемых для представления значения аналогового сигнала (шаг квантования).
Для входного аналогового сигнала в диапазоне для 0…5 В:
-разрядность 3 бит: 23=8 уровней квантования, разрешение 0,6 В ((0+5)/8)
-разрядность 4 бит: 24=16 уровней квантования, разрешение 0,3 В ((0+5)/18)
-разрядность 5 бит: 25=32 уровней квантования, разрешение 0,15 В ((0+5)/32)
7
Время преобразования
Преобразование значения аналогового напряжения происходит в момент времени t0, но преобразование не может быть завершено до момента времени t1
Ограничение частоты Найквиста
При частоте Найквиста аналоговый сигнал дискретизируется и
преобразуется более двух раз за цикл.
Ошибка квантования
Для устранения ошибки квантования используют усилители выборки-
хранения
8
Методы аналогово-цифрового преобразования (Методы АЦП)
1)АЦП прямого преобразования (флеш-АЦП)
2)Интегрирующие АЦП
3)АЦП последовательного приближения
4)Дельта-сигма АЦП
АЦП прямого преобразования
(Нулевой уровень заземлен)
Прямое преобразование – высокоскоростные компараторы сравнивают опорные напряжения (в цепи делителя напряжения) с напряжением аналогового входа:
HIGH – входное напряжение превышает опорное
LOW – компаратор не требуется
n-битный код => (2n – 1) компараторов
Приоритетный шифратор включается импульсом на EN => на выходе – двоичный код (HIGH)
+ высокая пропускная способность
– высокие аппаратные затраты
9
Оптимизация ФЛЕШ-АЦП (прямого преобразования)
1) Каскадирование АЦП – немного уменьшая быстродействие,
позволяет значительно уменьшить количество ОУ до k(2n/k – 1) + k – 1,
где n – число битов входного кода, а k – число параллельных АЦП прямого преобразования.
На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). На втором шаге найденная разница умножается на 2n/k и
подвергается следующему преобразованию. Полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выходного цифрового значения.
2) Конвейерная работа АЦП – данные частичных преобразований передаются по мере готовности до окончания полного преобразования.
Интегрирующие АЦП
CLK – устройство такстирования
Генератор пилообразоного сигнала (интегратор) – для получения характеристик двойного интегрирования
+ подавление высокочастотного шума и фиксированные низкие частоты (50/60
Гц)
– низкая входная пропускная способность
# применяются в измерительных приборах (вольтметры и проч.)
10