Структурні схеми АЦП і ЦАП

1.1 Область використання АЦП і ЦАП

Аналого-цифрове перетворення використовується скрізь, де потрібно обробляти, зберігати або передавати сигнал в цифровій формі. Швидкі відео АЦП використовуються, наприклад, в ТБ тюнерах. Повільні вбудовані 8, 10, 12, або 16 бітові АЦП часто входять до складу мікроконтролерів. Дуже швидкі АЦП необхідні у цифрових осцилографах.

ЦАП використовується завжди, коли необхідно перетворити сигнал з цифрового формату в аналоговий. ЦАП використовується в системах керування технологічними процесами, програвачах CD/DVD, звукових картах <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%B0_%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B0> ПК.

Аналогово-цифровий перетворювач мікроконтроллерів AVR на основі АЦП послідовного наближення

Відмітні особливості:

-розрядний дозвіл

Інтегральна нелінійність 0.5 мл розр.

Абсолютна погрішність ±2 мл розр.

Час перетворення 65 - 260 мкс.

Частота перетворення до 15 тис. преобр. у сек. при максимальному дозволі 8 мультиплексированных одинполярних входів

диференціальних вхідних каналів

диференціальних вхідних каналу з опциональным посиленням на 10 і 200

Представлення результату з лівобічним або правостороннім вирівнюванням в 16- розр. Слові

Діапазон вхідної напруги АЦП 0.VCC

Вибірковий внутрішній ІОН на 2.56 В

Режими одиночного перетворення і автоматичного перезапуску

Переривання після закінчення перетворення АЦП

Механізм придушення шумів в режимі снумістить 10-розр. АЦП послідовного наближення. АЦП пов'язаний з 8- канальним аналоговим мультиплексором, 8 одинполярних входів якого пов'язано з лініями порту F. Загальний вхідних сигналів повинен мати потенціал 0В (тобто пов'язаний з GND). АЦП також підтримує введення 16 диференціальної напруги. Два диференціальні входи (ADC1 ADC0 і ADC3, ADC2) містять каскад із ступінчастим програмованим посиленням: 0 дБ (1x), 20 дБ (10x), або 46 дБ (200x). Сім диференціальних аналогових каналів використовують загальний інвертуючий вхід (ADC1), а всі останні входи АЦП виконують функцію тих, що не інвертують входів. Якщо вибрано посилення 1x або 10x, то можна чекати 8-розр. дозвіл, а якщо 200x, то 7-розрядне.

АЦП містить УВХ (пристрій вибірки-зберігання), яке підтримує на постійному рівні напруга на вході АЦП під час перетворення. Функціональна схема АЦП показана на малюнку 108.

АЦП має окреме виведення живлення AVCC (аналогове живлення). AVCC не повинен відрізнятисябільш ніж на ± 0.3В від VCC.

Як внутрішня опорна напруга може виступати напруга від внутрішнього Іона на 2.56В або напрузі AVCC. Якщо потрібне використання зовнішнього ІОН, то він має бути підключений до виведення AREF з підключенням до цього виведення блокувального конденсатора для поліпшення шумових характеристик.

Рисунок 1.1 - АЦП мікроконтроллерів AVR

Генератор синусоїди Arduino на основі ЦАП R-2R

Рисунок 1.2 - Схема генератора синусоїди

Висновок: в данному розділі було розглянуто принципи роботи аналого-цифрового та цифро-аналогового перетворювачів, їх основні типи, параметри та область призначення окремих типів АЦП і ЦАП.

1.2 Класифікація та принцип роботи АЦП

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) це пристрої, які приймають вхідні аналогові сигнали та генерують відповідні до них цифрові сигнали, які придатні для обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями.

Процедура аналого-цифрового перетворення неперервних сигналів, яку реалізовують за допомогою АЦП, це перетворення неперервної функції часу , яка описує вхідний сигнал, у послідовність чисел { }, =0,1,2,…, що віднесені до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції: дискретизацію і квантування.

Найпоширенішою формою дискретизації є рівномірна дискретизація, в основі якої лежить теорема відліків. Згідно з цією теоремою як коефіцієнти потрібно використовувати миттєві значення сигналу в дискретні моменти часу , а період дискретизації вибирати з умови:

де - максимальна частота спектра сигналу, що перетворюється.

Тоді отримаємо відомий вираз теореми відліків

Для сигналів зі строго обмеженим спектром цей вираз є тотожністю. Однак спектри реальних сигналів прямують до нуля тільки асимптотично. Застосування рівномірної дискретизації до таких сигналів викликає виникнення в системах обробки інформації специфічних високочастотних спотворень, які зумовлені вибіркою. Для зменшення цих спотворень необхідно або збільшувати частоту дискретизації, або використовувати перед АЦП додатковий фільтр нижніх частот, який обмежуватиме спектр вхідного сигналу перед його аналого-цифровим перетворенням.

У загальному випадку вибір частоти дискретизації буде залежати також від вигляду функції , що використовується в першій формулі розділу та допустимого рівня похибок, які виникають при відновленні початкового сигналу за його відліками. Усе це необхідно враховувати при виборі частоти дискретизації, яка визначає необхідну швидкодію АЦП. Часто цей параметр задають розробнику АЦП.

Рисунок 1.3 - Класифікація АЦП

Зараз відома велика кількість методів перетворення напруга - код. Ці методи суттєво відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення та складністю апаратної реалізації. На рис. 1.1 наведена класифікація АЦП за методами перетворення.

В основу класифікації АЦП покладено ознаку, яка вказує на те, як в часі розгортається процес перетворення аналогової величини в цифрову. В основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування та кодування. Вони можуть проводитись за допомогою або послідовної, або паралельної, або послідовно-паралельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

Розглянемо АЦП послідовного наближення

Функціонування аналого-цифрового перетворення за методом послідовного підрахунку можна проілюструвати за допомогою структурної схеми на рис. 1.2.

Рисунок 1.4 - АЦП послідовного підрахунку

До складу схеми входять: генератор тактових сигналів (G), компаратор напруги (КН), схема І, лічильник (ЛЧ), буферний регістр (БР), цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). Схема працює наступним чином. На вхід перетворювача подається аналоговий сигнал , який підключається до одного з входів компаратора напруги КН. На другий вхід компаратора подається еталонна напруга (), яка формується на виході ЦАП під управлінням колового слова на виході ЛЧ. Компаратор формує на своєму виході сигнал або логічної одиниці, або логічного нуля в залежності від того, яке значення більше. Якщо , то на виході компаратора формується одиниця, яка дозволяє проходження імпульсів з тактового генератора через схему І на лічильний вхід лічильника ЛЧ. На виході лічильника йде процес підрахунку цих імпульсів в двійковому коді від 2 до 2 . Двійковий код з ЛЧ подається на вхід ЦАП, на виході якого формується ступінчатий сигнал . Кожна сходинка цього сигналу відповідає за рівнем інтервалу дискретизації . Сигнал порівнюється із сигналом і в момент, коли стає меншим за , на виході компаратора формується сигнал логічного нуля. Схема І закривається, лічильник зупиняє підрахунок і набраний двійковий код переписується у вихідний буферний регістр БР для видачі користувачу.

1.3 Класифікація та принцип роботи ЦАП

Необхідність здійснення операції відновлення вихідного сигналу з дискретних відліків, а також необхідність здійснення операцій формування еталонних сигналів при аналого-цифровому перетворенні висуває задачу цифро-аналогового перетворення. Суть операції цифро-аналогового перетворення полягає у формуванні аналогових сигналів, що відповідають кодовим словам дискретного сигналу. Технічно це формування здійснюється цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП).

Аналоговий сигнал на виході ЦАП може бути сформований шляхом множення опорної напруги на вагові розрядні коефіцієнти кодового слова , таким чином, що

Технічно найпростіше ЦАП реалізовується на принципі підсумовування розрядних струмів

(рис. 1.3).

Схема реалізації ЦАП для підсумовування струму містить джерело стабільної напруги , матрицю двійково-зважених резисторів , набір ключів , що реалізовують розрядні коефіцієнти і перетворювач струму в напругу на операційному підсилювачі ОП.

Рисунок 1.5 - ЦАП для підсумовування струму

Часова діаграма класичного процесу цифро-аналогового перетворення має вигляд (рис. 1.4).

Рисунок 1.6 - Часова діаграма процесу ЦА перетворення

При малій кількості дискретних вибірок миттєвих значень сигналу, цей сигнал мало нагадує вихідний, однак може бути наближеним до нього шляхом аналогової фільтрації або інтерполяції.

Основні типи електронних ЦАП

. Широтно-імпульсний модулятор - найпростіший тип ЦАП. Стабільне джерело струму чи напруги періодично вмикається на час, пропорційний перетворюваному цифровому коду, далі отримана імпульсна послідовність фільтрується аналоговим фільтром низьких частот. Такий спосіб часто використовується для керування швидкістю електромоторів, а також стає популярним в Hi-Fi аудіотехніці.

. ЦАП передискретизації, такі, як дельта-сигма ЦАП, основані на змінюваній густоті імпульсів. Передискретизація дозволяє використовувати ЦАП з меншою розрядністю для досягнення більшої розрядності кінцевого перетворення; часто дельта-сигма ЦАП будується на основі найпростішого однобітового ЦАП, який є практично лінійним. На ЦАП малої розрядності надходить імпульсний сигнал з модульованою густотою імпульсів (з постійною тривалістю імпульсу, але зі змінною шпаруватістю), створений з використанням негативного зворотного зв’язку. Негативний зворотний зв’язок виступає в ролі фільтра високих частот для шуму квантування. Більшість ЦАП більшої розрядності (більше 16 біт) побудовані на цьому принципі внаслідок його високої лінійності і низької вартості. Швидкодія дельта-сигма ЦАП сягає сотень тисяч відліків в секунду, розрядність - до 24 біт. Для генерації сигналу з модульованою густотою імпульсів можна використати простий дельта-сигма модулятор першого порядку чи більш високого порядку як MASH (англ. Multi stage noise SHaping). Зі збільшенням частоти передискретизації знижуються вимоги до вихідного фільтра низьких частот і поліпшується приглушення шуму квантування.

. ЦАП зважування, в якому кожному біту перетворюваного двійкового коду відповідає резистор чи джерело струму, підключене до спільної точки додавання. Сила струму джерела (провідність резистора) пропорційна вазі біта, якому він відповідає. Таким чином, всі ненульові біти коду додаються з вагою. Метод зважування - один з найшвидших, але йому властива низька точність через необхідність наявності набору множини різних прецизійних джерел чи резисторів. Через цю причину ЦАП зважування мають розрядність не більше восьми біт.

. Ланцюгова R-2R схема є варіацією ЦАП зважування. В R-2R ЦАП зважені значення створюються в спеціальній схемі, яка складається з резисторів опорами R і 2R. Це дозволяє суттєво збільшити точність порівняно зі звичайним ЦАП зважування, оскільки порівняно просто виготовити набір прецизійних елементів з однаковими параметрами. Недоліком методу є більш низька швидкість внаслідок паразитної ємності.

. Сегментний ЦАП містить по одному джерелу струму чи резистору на кожне можливе значення вихідного сигналу. Так, наприклад, восьмибітовий ЦАП цього типу містить 255 сегментів, а 16-бітовий - 65535. Теоретично, сегментні ЦАП мають найбільшу швидкодію, оскільки для перетворення достатньо замкнути один ключ, який відповідає вхідному коду.

. Гібридні ЦАП використовують комбінацію перерахованих вище способів. Більшість мікросхем ЦАП належать до цього типу, вибір конкретного набору способів є компромісом між швидкодією, точністю і вартістю ЦАП.

1.4 Параметри АЦП і ЦАП

Параметри ЦАП і АЦП можна поділити на дві групи: статичні та динамічні.

До динамічних параметрів відносяться час перетворення і частота перетворення, які визначають швидкодію ЦАП і АЦП. Динамічні параметри характеризують продуктивність оброблення інформації.

Статичні параметри, в свою чергу, розподіляються на дві підгрупи.

До першої підгрупи статичних параметрів відносяться параметри, загально прийняті для усіх типів ІС, які визначають енергетичні показники, наприклад, струм споживання, напругу живлення і т.д.

До другої підгрупи відносяться параметри, які характерні лише для перетворювачів. Це характеристика перетворення (ХП), розрядність, діапазон та рівні вхідних і вихідних сигналів, нелінійність, абсолютна похибка перетворення, напруга відхилення нуля на виході ЦАП або АЦП.