что такое опорное напряжение микросхемы
Электроника для всех
Блог о электронике
Tag Archives: Опорное напряжение
Измерительные цепи
При работе автоматической системой нам в подавляющем большинстве случаев будут нужны будут датчики, способные замерить разные величины. И хоть сейчас получают распространение цифровые датчики, вроде термометра DS1820, все же аналоговых датчиков намного больше. Постараюсь кратко описать как со всем этим хозяйством работать.
Выход с датчика может быть трех основных видов (если кто вспомнит еще, добавьте в комментах)
Напряженческий, токовый и резистивный. Как понятно из названия, тут выходная датчик превращает колебания измеренной величины в колебания напряжения, тока или сопротивления, осталось только эти величины привести к виду удобному для запихивания в АЦП микроконтроллера.
(далее…)
Работа с АЦП. Аппаратные средства повышения точности
Фильтрация напряжения
В первую очередь, надо позаботиться о качестве опорного напряжения. Ведь выходное значение находится в прямой зависимости от опорного напряжения.
Где, n — разрядность АЦП.
Поэтому желательно использовать специальную микросхему — Источник Опорного Напряжения, например, ADR420 или REF195. Стоить они могут недешево — сотни рублей, но зачастую оно стоит того. Прецизионная аналоговая электроника в принципе не дешевая. По началу я тоже пугался ценам в 500-600 рублей за какой то там усилитель. А сейчас ничего, привык 🙂 Впрочем, в фанатизм впадать не стоит. На худой конец, если используется AVR, точность которой 2МЗР (младший значащий разряд, если забыл) на десяти битах, то можно не заморачиваться с дорогущими ИОН и городить что попроще, например на LM336Z-5.0, включаемых подобно стабилитрону, только куда более точному. (далее…)
Подключение микроконтроллера. Ликбез.
Казалось бы простая тема, а однако в комментах меня завалили вопросами как подключить микроконтроллер. Как подключить к нему светодиод, кнопку, питание. Что делать с AGND или AREF. Зачем нужен AVCC и все в таком духе. Итак, раз есть вопросы, значит тема не понятна и надо дать по возможности исчерпывающий ответ. Все описываю для контроллеров AVR, но для каких нибудь PIC все очень и очень похоже. Т.к. принципы тут едины.
Питание
Для работы микроконтроллеру нужна энергия — электричество. Для этого на него естественно нужно завести питалово. Напряжение питание у МК Atmel AVR разнится от 1.8 до 5 вольт, в зависимости от серии и модели. Все AVR могут работать от 5 вольт (если есть чисто низковольтные серии, то просьба уточнить в комментах, т.к. я таких не встречал). Так что будем считать что напряжение питания контроллера у нас всегда 5 вольт или около того. Плюс напряжения питания обычно обозначается как Vcc. Нулевой вывод (а также Земля, Корпус, да как только его не называют) обозначают GND. Если взять за пример комповый блок питания. То черный провод это GND (кстати, земляной провод традиционно окрашивают в черный цвет), а красный это +5, будет нашим Vcc. Если ты собираешься запитать микроконтроллер от батареек, то минус батареек примем за GND, а плюс за Vcc (главное чтобы напряжение питания с батарей было в заданных пределах для данного МК, позырь в даташите. Параметр обычно написан на первой странице в общем описании фич:
• Operating Voltages
–1.8 — 5.5V (ATtiny2313V)
–2.7 — 5.5V (ATtiny2313)
• Speed Grades
–ATtiny2313V: 0 — 4 MHz @ 1.8 — 5.5V, 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V
–ATtiny2313: 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V, 0 — 20 MHz @ 4.5 — 5.5V
Обрати внимание, что есть особые низковольтные серии (например 2313V низковльтная) у которых нижня граница напряжения питания сильно меньше. Также стоит обратить внимание на следующий пункт, про частоты. Тут показана зависимость максимальной частоты от напряжения питания. Видно, что на низком напряжении предельные частоты ниже. А низковольтные серии раза в два медленней своих высоковольтных коллег. Впрочем, разгону все процессоры покорны ;))))) (далее…)
Источники опорного напряжения
В предыдущей статье я рассказывал про умножители напряжения, а в этой закладочке я расскажу об самом основном в схемах это опорное напряжении. Для чего нужны источники опорного напряжения, а для маломощных частей схемы, для питания их стабильным током, для примерного напряжения, от которого нужно отпираться или же с которым нужно сравниваться.
Стабилизатор на стабилитроне
Самый простой вариант стабилизации на стабилитроне. Резистор R1 ограничивает ток. Условие (Uвх-Uвых)/Rs>Uвых/R2. Так же такой стабилизатор можно усилить с помощью транзистора.
Стабилизатор на TL431
ИОН(источник опорного напряжения) на стабилитроне прост, но для более высокой стабилизации, хорошо использовать регулируемый стабилитрон TL431. Которым кстати можно выставить практически любое напряжение на выходе ИОН от 2,5В до 37В. Главное, что бы входящее напряжение не превышало 40В, а рассеиваемая мощность не превышала 0,75Вт
Управление стабилитрона идет через управляющую ножку, на которой должно быть опорное равное 2,5В. Это опорное рассчитывается резисторами R2 и R3. На TL431 можно сделать так же стабилитрон на 2,5В, если подключить по схеме
Ток TL431 до 100мА, но его можно усилить с помощью транзистора, как на схеме
На этом пока остановлюсь с Ион-ами. В следующей закладке расскажу про интегральные стабилизаторы напряжения, что в принципе является продолжением статьи про ИОН-ы.
Внешние источники опорного напряжения
Для нормальной работы АЦП МК необходим источник опорного напряжения (ИОН). Если использовать внутренний ИОН, то могут возникнуть проблемы с его низкой температурной стабильностью и большим технологическим разбросом номинального напряжения. Для точных измерений (в том числе с нестандартными опорными напряжениями) практикуют подключение внешнего ИОН к выво-ду KREF МК. Состоять он может из дискретных элементов (Рис. 4.7, а. и) или из интегральных микросхем (Рис. 4.8, а. к).
Рис. 4.7. Схемы подключения внешних ИОН на дискретных элементах <начало):
а) МК(1) использует для своих измерений внутренний ИОН. Его выходное напряжение KRRF является внешним ИОН по отношению к МК(2). Достоинство — синхронизация измерений;
б) VD1 — это прецизионный стабилитрон «Shunt Voltage Reference» (фирма Analog Devices) с точностью поддержания выходного напряжения ±0.1%. Фильтр R2, C1 снижает ВЧ-помехи. При переходе на повышенное питание +5 В необходимо заменить резистор R1 (2.94 кОм). Для снижения потребляемого тока можно увеличить сопротивление резистора R1 до 34.8. 41.2 кОм;
в) VD1 — это широкодиапазонный стабилитрон «Adjustable Voltage Reference» фирмы National Semiconductor. Резистор RI задаёт ток через VDI в пределах 0.01. 20 мА. Если вместо LM385-2.5 поставить LM4040-4.1 и увеличить резистор до 10 кОм, то KREF станет равным +4.096 В;
г) регулируемый ИОН с плавной юстировкой напряжения многооборотным резистором R3
д) VD1 — это трёх вы вод ной стабилитрон «Programmable Shunt Regulator» (серия «431»). Двухполюсное включение VD1 определяет опорное напряжение +2.5 В (или +1.25 В в серии «1431»);
е) опорное напряжение +4.9 В поступает с выходной линии МК. Такое включение полезно при тестах (НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ уровень) и для удобства разводки печатной платы;
Рис. 4.7. Схемы подключения внешних ИОН на дискретных элементах (окончание):
ж) регулируемый ИОН на основе трёхвыводного стабилитрона VD1 серии «431». Опорное напряжение определяется по формуле KREF[B] = 2.5-(1 + Я,[кОм]/Я2[кОм]);
з) напряжение KREF близко к напряжению питания. Из особенностей — двухступенчатая фильтрация помех при помощи элементов L1, C1 и RI, С2, СЗ;
и) на вход VREF подаётся опорное напряжение, которое чуть больше напряжения питания Усс МК. Это обеспечивает широкий динамический диапазон измерений, но надо следить, чтобы разница между КЕРи Усс не превышала 0.2 В. Если поставить стабилитрон VDI LM4040DIZ-5.0, то опорное напряжение уменьшится до +5.0 В, а точность установки улучшится с 5 до 1 %.
Рис. 4.8. Схемы подключения внешних ИОН на микросхемах (начало):
а) использование низковольтного стабилизатора напряжения DA1 в качестве ИОН;
б) точность установки опорного напряжения составляет 2.4% (5.00 В ± 120 мВ). Замена стабилизатора DAI — 78L05. Конденсаторы C1 и С2 необходимо располагать возле выводов DA /;
в) точность установки опорного напряжения DA 1 составляет 0.05% (5.00 В ± 2.5 мВ), температурная стабильность 5 ррт/°С (25 мкВ на один градус);
г) двухступенчатый стабилизатор (VDI, DAI). Точность установки опорного напряжения DAI (фирма Intersil) составляет 0.01% (5.00 В ± 0.5 мВ), температурная стабильность 5 ррш/°С; ©
Рис. 4.8. Схемы подключения к МК внешних ИОН на микросхемах (окончание):
д) плавно регулируемый ИОН в пределах 0. +3 В. Замена стабилизатора DA1 аналогичным, нос другим выходным напряжением (+2.5. +5 В), задаёт верхний предел регулирования;
е) повышенная стабильность ИОН благодаря генератору тока на микросхеме DA1. Ток через трёхвыводной стабилитрон VDI (1. 8 мА) определяется по формуле /[мА] = 1.25 /[кОм];
ж) программно регулируемый ИОН 0. +5 В на микросхеме DA1 фирмы Microchip. Функционально это дискретный 6-битный переменный резистор с крайними выводами «А», «В» и средним выводом «W». Сопротивление от 2.1 до 50 кОм. Буферным повторителем служит ОУ DA2;
з) оперативная смена двух напряжений. Высокоточный ИОН на микросхеме DA1 (фирма Analog Devices) выдаёт напряжение +2.5 или +3 В в зависимости от положения перемычки SL Фильтр LI, CI снижает помехи по питанию;
и) вывод KREF МК соединяется с линией питания, которая и служит внешним ИОН. Напряжение питания регулируется резистором R3. Значение +5.12 В выбрано не случайно. Это сделано для того, чтобы при 10-битном АЦП МК цена одного деления составляла ровно 5 мВ;
к) регулируемый ИОН с повышенной нагрузочной способностью на основе повторителя DA1. Выходное напряжение +2.5 В может использоваться для средней точки других ОУ.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.
Выбор источника опорного напряжения. с чего начать?
Источник опорного напряжения (ИОН) (реже — тока) является важнейшим элементом АЦП или ЦАП. От его точности и стабильности зависит точность всей системы. Многие преобразователи имеют встроенный ИОН. Рассмотрим вопросы, которые наиболее часто возникают при выборе ИОН.
Насколько качественным должен быть опорный сигнал?
Это зависит от назначения устройства. При проведении абсолютных измерений точность преобразования определяется точностью опорного сигнала. Однако во многих системах важна не столько абсолютная точность, сколько стабильность или повторяемость. Например, монолитный ИОН на стабилитроне со скрытым переходом (ИС AD588 и AD688) имеет начальную точность 1 мВ на 10 В (0,01% или 100 ppm) и температурный дрейф 1,5 ppm/°C. Этой точности достаточно для 12-разрядной системы (1 МЗР = 244 ppm), но не для 14- или 16-разрядной системы. Хотя, если начальную ошибку привести к нулю, то такие ИОН можно использовать в 14- и 16-разрядных системах в ограниченном температурном диапазоне (1 МЗР = 61 ppm, что соответствует изменению температуры на 40°C в AD588 или AD688).
Для увеличения абсолютной точности преобразователь необходимо «закалить» в термостатической печи, чтобы распределение тепла по кристаллу было равномерным, и откалибровать согласно стандарту. Иногда преобразователь должен иметь разрешение не меньше 12 разрядов, даже если в системе не требуется 12-разрядая абсолютная точность. В подобных случаях лучше применять менее точные и более дешевые ИОН на основе стабилитрона с напряжением запрещенной зоны.
Что такое стабилитрон со скрытым переходом и стабилитрон с напряжением запрещенной зоны?
Это два самых распространенных прецизионных ИОНа, используемых в современных ИС. Стабилитрон с заглубленным (или скрытым) p-n-переходом характеризуется большей стабильностью и точностью. Это диод, сформированный под поверхностным слоем кристалла и покрытый защитным диффузионным слоем, чтобы зона пробоя полностью лежала под поверхностью подложки (см. рис. 1).
Что еще необходимо учитывать?
Для ИОН применимы все основные правила аналоговых схем. Итак, необходимо:
– избегать перепадов напряжения на проводниках с высоким импедансом;
– по возможности минимизировать шум на шине общей земли;
– обеспечивать качественную развязку цепи питания.
Следует также удостовериться в правильности подключения полярности, а также быть внимательными при работе с емкостными нагрузками.
Какой ток должен обеспечивать ИОН?
Как правило, ИОНы имеют внутренний буфер, а втекающий или вытекающий ток находится обычно в диапазоне 5…10 мА. Если ИОН используется в качестве системного или стоит на входе высокоскоростного параллельного АЦП, который имеет очень низкий импеданс, то этого достаточно. При токе 10 мА на сопротивлении 100 мОм падение напряжения составляет 1 мВ. Для некоторых схем это недопустимо. Такие ИОН как AD588 и AD688 имеют специализированные контакты на выходном выводе и выводе земли. Замыкая цепь ОС вокруг источников ошибки, эти контакты компенсируют падение напряжения. Они корректируют также отклонение коэффициента усиления и напряжения смещения, когда к усилителям с токовым буфером подключена большая нагрузка, или если ток течет в неправильном направлении. Разъем «sense» должен быть подключен к выходной части буферного усилителя, желательно к выводу нагрузки.
Что значит «ток течет в неправильном направлении»?
Рассмотрим 5-В ИОН с напряжением питания равным 10 В. Если к выходу 5 В подключена заземленная нагрузка, то ток потечет на землю. Если резистор подключен к линии питания, то ток будет втекающим. Во многих ИОНах допускается любое направление тока, однако некоторые модели рассчитаны либо только на втекающий, либо только на вытекающий ток. Самый простой пример — использование ИОН с положительным выходным напряжением в качестве опорного отрицательного сигнала. Допустимое направление тока указано в документации.
Существуют ли ИОНы с отрицательным напряжением?
Большинство однополярных ИОН — положительные. Двухвыводные активные источники могут использоваться в любой полярности. Они используются так же, как и стабилитроны с напряжением запрещенной зоны.
Выход источника положительного опорного напряжения можно использовать в качестве отрицательного опорного сигнала, если для данного источника втекающее направление тока разрешено. В этом случае выходной вывод подключается к земле, а вывод земли, напряжение на котором становится отрицательным, — к опорному выводу через резистор RS или источник постоянного тока (см. рис. 3).
В общем случае на вывод положительного напряжения должен поступать положительный сигнал. Но некоторые схемы могут обеспечивать отрицательное напряжение на обоих выходах, для этого вывод положительного напряжения и выходной вывод вместе подключаются к земле.
Сопротивление резистора RS подбирается так, чтобы возможные отклонения тока были в пределах допустимого.
На что следует обращать внимание при работе с емкостными нагрузками?
Во многих источниках на выходе стоит усилитель, стабильность которого может нарушаться при работе с большими емкостными нагрузками порядка нескольких мкФ и
более.
В то же время для ослабления шума к ИОН рекомендуется подключать конденсаторы емкостью 1…10 нФ. Некоторые источники, например AD588, имеют вывод с шумоподавлением, к которому можно подключать большие емкости. Если микросхема имеет силоизмерительные выводы, то диапазон разрешенных емкостей регулируется с помощью контура ОС.
Заметим, что даже если схема достаточно стабильна, использовать большие емкости не рекомендуется, поскольку они увеличивают время включения источника.
Каково время установления ИОН?
Как правило, требуется некоторое время для включения ИОН. Во многих источниках ток, протекающий через опорный элемент, поступает со стабилизированного выхода. Эта положительная ОС увеличивает стабильность по постоянному току, однако препятствует включению. Данный эффект устраняется схемотехнически, но время включения ИОН не равно нулю, а составляет 1…10 мс. Не во всех устройствах такая задержка допустима.
Для прецизионных ИОН может потребоваться дополнительное время для температурной стабилизации, пока не будет достигнуто температурное равновесие на кристалле и не установятся смещения, вызванные изменением температуры. Эти эффекты описаны в документации и обычно не превышают нескольких секунд.
Всегда ли использование внешнего прецизионного источника позволяет повысить точность преобразования?
Не всегда. Например, АD674B, быстродействующий вариант классического AD574, имеет заводскую погрешность калибровки не более 0,25%, а точность при использовании внутреннего источника не хуже 100 мВ (1%). Поскольку 0,25% от 10 В = 25 мВ, то напряжение ПШ = 10,025 В. Полагая, что AD674B с внутренним ИОН, напряжение которого было на 1% выше (10,1 В), был откалиброван на заводе при напряжении ПШ, равном 10,000 В, получаем погрешность 1%. Если к АЦП подключен прецизионный ИОН, то напряжение ПШ равно 10,100 В, т.е. погрешность в 4 раза больше, чем указано в документации.
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:
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 алгоритм «взвешивания», 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: http://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.
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).
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: http://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.
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).