Преобразователи напряжение-частота

4.4 Преобразователи напряжение-частота

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рис. 17. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог - 1108ПП1).

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U_вх напряжение U_и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U_и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т_и, который управляет ключем. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I_оп в течение Т_и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.

Импульсы тока I_оп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением U_вх. В установившемся режиме

Отсюда следует

где U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (14) показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I_оп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Ти, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на частоту ПНЧ.

Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 18. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т_отсч=1/f_отсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т_отсч,

Здесь U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т_отсч.

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактируемый импульсами стабильной частоты D-триггер. Несложно убедиться (см. рис. 16), что в этом случае ПНЧ превращается в однобитный сигма-дельта модулятор.

5. Параметры АЦП

Рис.19

При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала U_вх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП U_пш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию.

Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 19), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

5.1 Статические параметры

Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.

Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП U_вх при изменении D_j на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=U_пш/(2^N-1), где U_пш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

Эта погрешность является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

Обычно определяется по формуле

где U_вх.01 - значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из О в 1. Часто указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП могут быть уменьшены либо подстройкой аналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.

Погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простыми средствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.

Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(U_вх) от оптимальной (линия 2 на рис. 19). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рис. 25

Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.

Для характеристики, приведенной на рис. 25,

Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1 приведен на рис. 25. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП - максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.

Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала. Монотонность не гарантирует малых значений дифференциальной нелинейности и непропадания кодов.

Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

5.2 Динамические параметры

Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.

Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

Время преобразования (t_пр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

5.3 Шумы АЦП

В идеале, повторяющиеся преобразования фиксированного постоянного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако, вследствие неизбежного шума в схемах АЦП, существует некоторый диапазон выходных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП постоянный сигнал и записать большое число преобразований, то в результате получится некоторое распределение кодов. Если подогнать Гауссовское распределение к полученной гистограмме, то стандартное отклонение будет примерно эквивалентно среднеквадратическому значению входного шума АЦП. В качестве примера на рис. 26 приведена гистограмма результатов 5000 преобразований постоянного входного сигнала, выполненных 16-разрядным двухтактным последовательно-параллельным АЦП АD7884.

Входное напряжение из диапазона + 5 В было установлено по возможности ближе к центру кода. Как видно из гистограммы, все результаты преобразований распределены на шесть кодов. Среднеквадратическое значение шума, соответствующее этой гистограмме, равно 120 мкВ.

Список используемой литературы

1. Балакай В.Г Интегральные схемы аналого-цифровых преобразователей /Балакай В.Г,Крюк И.П.,Лукьянов Л.М.; Под ред.Лукьянова Л.М. .-М: Энергия, 2008 .-257с.: Ил. .-Библиогрс.251-256.

3. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем /Гельман М.М. .-М.: Изд-во стандартов, 2009 .-317с.

4. Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах /Бирюков С.А. .-М.: Радио и связь, 2007 .-129с.: ил. .-(Массовая радиобиблиотека;Вып.1132).

5. Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев И.Н. ,Горячев В.И.,Мансуров Б.М. .-3-е изд., перераб. и доп. .-М. : Радио и связь, 2009 .-416с.

6. Гольденберг Л.М. Цифровые устройства на интегральных схемах в технике связи /Гольденберг Л.М.,Бутильский Л.М.,Поляк М.Н. .-М: Связь, 2009 .-232с.

7. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник /Шило В.Л. .-М.: Металлургия, 2008 .-349с. .-(Массовая радиобиблиотека;Вып.1111).

8. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов /Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. и др.; Под ред.Иванова В.И. .-М.: Радио и связь, 2007 .-232с.: ил. .-Библиогр.:с.229-230 .-ISBN 5-256-01226-6.

9. Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев И.Н.,Мансуров Б.М.,Горячев В.И. .-2-е изд.,перераб.и доп. .-М.: Сов.радио, 2008 .-368с.: ил. .-Библиогр.:с.364-366.

10. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства: Учебник для вузов /Гольденберг Л.М. .-М.: Связь, 2009 .-495с.: ил. .-Библиогр.:с.494-495.