Вычислительная техника в измерительных информационных системах

Компараторы 3 с выходными ключами б образуют каналы сравнения от первого, младшего предела (компаратор этого канала подсоединен непосредственно ко входу 1 измеряемой величины) до k-ого, наибольшего старшего предела (компаратор этого канала подсоединен к выходу оконечной ступени делителя).

По начальным сигналам блока 5 управления триггеры 7 и триггер 13 переключаются в положение, при котором оказываются деблокированными все ключи 6 и элементы И 8 и 9, а ЦАП 4 переключается в положение, при котором на его выходе устанавливается максимальное значение напряжения. Это напряжение параллельно сравнивается во всех компараторах с масштабно-преобразованными значениями измеряемой величины.

Допустим, что если напряжение на измерительном входе компаратора превышает напряжение на его опорном входе или равно ему, то на выходе компаратора появляется единичный сигнал. В противном случае выходной сигнал компаратора оказывается нулевым.

Если измеряемая величина не превышает установленного максимального значения ЦАП (т.е. не превышает первого предела измерений), то на выходе всех компараторов и соответствующих ключей сигналы будут нулевыми. Эти нулевые сигналы в каждой соседней паре каналов инвертируются элементами НЕ 10 и при этом на выходе каждого из элементов И 9 появляется единичный сигнал, по которому в каждом канале, начиная с (i + 1)-го (кроме первого i = 1, k), блокируется ключ.

Когда измеряемая величина в i-м канале превышает максимальное напряжение ЦАП, единичный сигнал компаратора этого канала передается через соответствующий элемент И 8 и ИЛИ 11 и переключает подсоединенный к этому элементу триггер 7, с изменением выходного сигнала которого блокируется ключ 6 этого триггера.

Если измеряемая величина превышает опорное напряжение компараторов только первых р каналов, то аналогичным образом блокируются ключи этих р каналов и ключи каналов от р + 2-го до k го, а ключ р + 1-го канала остается деблокированным. Тем самым в последующем обеспечивается уравновешивание масштабно-преобразованной величины, не превышающей р + 1-го предела измерений.

С задержкой во времени, необходимой для выбора канала сравнения в соответствии с требуемым пределом измерения, блок управления переключает триггер 13, изменение выходного сигнала которого приводит к блокировке всех элементов И 8, 9. Тем самым в дальнейшем, в процессе поразрядного уравновешивания, исключается воздействие выходных сигналов компараторов блокированных каналов на состояния ключей 6, установленные при выборе предела.

Одновременно с переключением триггера 13 блок управления устанавливает требуемое напряжение ЦАП, равное половине младшего поддиапазона, и начинается обычный процесс поразрядного уравновешивания измеряемой величины известным образом. Выходные сигналы компаратора выбранного канала передаются в блок управления через элемент ИЛИ 12.

После завершения уравновешивания и считывания кода из регистра ЦАП цикл преобразования повторяется. Код масштаба преобразования отображается состоянием триггеров 7. Выбор предела и формирование этого кода выполняются в такте переключения АЦП в исходное состояние, т.е. практически без дополнительных затрат времени по сравнению с однопредельным АЦП.

До недавнего времени АЦП двоичного поразрядного уравновешивания (традиционной схемы) выпускались только в гибридном исполнении. При использовании блоков выборки/хранения их разрядность составляет от 12 до 14 бит, а быстродействие - от единиц мегагерц до сотен килогерц соответственно. На сегодня несколько фирм освоили производство интегральных 14ч18 - разрядных АЦП, содержащих блок выборки/хранения.

Основные характеристики АЦП

Поскольку каждый АЦП имеет свои особенности, обусловленные принципом преобразования, при выборе того или иного типа преобразования необходимо исходить из цели применения с учетом следующих наиболее важных характеристик этих устройств.

Разрешающая способность. Под разрешающей способностью обычно понимается минимальное значение аналогового сигнала, которое еще может различаться преобразователем. Разрешающая способность n-разрядного АЦП равна частному от деления на 2ⁿ диапазона входного аналогового напряжения. В некоторых случаях разрешающая способность определяется в процентах диапазона входного напряжения.

Точность. В процессе квантования входного сигнала U_вх на шаг Q по уровню происходит округление его до ближайшего цифрового значения в пределах самого младшего разряда цифрового кода, как следует из рис. 10.6.1.

Рис. 10.6.1. Погрешность квантования в АЦП.

Погрешность нелинейной характеристики. Нелинейность - это отклонение передаточной характеристики преобразователя от идеальной прямой линии. При этом возникают два рода погрешностей, связанных с нелинейностью характеристики:

линейная погрешность, отражающая общую кривизну передаточной характеристики;

линейная погрешность (дифференциальная), обусловленная искривлениями характеристики на отдельных ее участках.

Линейная погрешность определяется максимальным отклонением передаточной функции преобразователя от прямой линии, соединяющей оба конца интервала преобразования. Эта погрешность измеряется в процентах диапазона преобразования или в долях самого младшего разряда. Дифференциальная линейная погрешность - это отклонение от указанной выше прямой на произвольных участках преобразования за пределы одного бита. При дифференциальной линейной погрешности более 1 самого младшего разряда возникают ошибочные коды, а в выходном цифровом сигнале происходит скачок, т.е. нарушается монотонность преобразования. Природа возникновения упомянутых погрешностей поясняется на рис. 10.6.2., где 1LSB - изменение U_вх на один цифровой разряд, а LSB - возникающая погрешность.

Рис. 10.6.2. Дифференциальная линейная погрешность АЦП и монотонность характеристики преобразования.

Погрешность смещения измеряется значением входного сигнала, необходимым для обеспечения равенства выходного цифрового кода нулю. Погрешность усиления характеризуется разницей в наклоне реальной и идеальной передаточных характеристик преобразования. Температурная погрешность накладывается на все другие выше перечисленные погрешности, т.е. от температуры зависит и дифференциальная линейная погрешность, и погрешность смещения, и погрешность усиления.

Скорость преобразования. Временной интервал, необходимый для осуществления правильного преобразования (временная апертура), зависит от скорости изменения входного сигнала и заданной разрешающей способности преобразования. Если изменение входного сигнала во время квантования превысит значение одного бита, то выходной код АЦП уже не будет соответствовать истинному значению входного сигнала.

Понятие цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП)

Задача цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) - преобразование двоичного кода в выходное напряжение, пропорциональное весовым коэффициентам разрядов двоичной системы счисления (8,4,2,1). Наиболее простая схема ЦАП представляет собой взвешивающую резистивную матрицу из сопротивлений R, 2R, … (pис. 10.7.1a), в которой сумма токов , протекающих через резистор R₀, пропорциональна весовым коэффициентам двоичных разрядов, а выходное напряжение при R₀R пропорционально двоичному числу.

Рис. 10.7.1. Пассивные цепи ЦАП.

Условие R₀R должно выполняться в тех случаях., когда источники выходных сигналов имеют заметное внутреннее сопротивление R_и1, R_и2, … (для идеальных источников с R_и=0, R₀ может быть бесконечно большим). В качестве входных источников в ЦАП используют формирующие ключи К₁, К₂, … (рис. 10.7.1б), которые обеспечивают стабильные уровни напряжений логической 1, равные опорному напряжению U. При R₀R единичные приращения U_вых могут оказаться соизмеримыми с уровнем шумов.

Для увеличения выходного сигнала можно использовать операционный усилитель с отрицательной обратной связью через резистор R_ОС (рис. 10.7.2а).

Рис. 10.7.2 Схема активных ЦАП.

Схему с ОС нетрудно преобразовать в схему без обратной связи (рис. 10.7.2б) с вносимым сопротивлением, определяемым формулой:

,

где К - коэффициент усиления ОУ. В такой схеме R_вн выполняют функции резистора R₀ (рис. 10.7.3.) и позволяет обеспечить условие R₀R. Так, при R_ОС=10⁴ Oм и K=10⁵ Oм уровень выходного напряжения равен:

. (10.1)

Недостаток схем ЦАП с ОУ - сравнительно невысокое быстродействие, которое определяется частотными параметрами ОУ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10.7.3. Матрица резисторов для ЦАП и обозначение ЦАП.

Общий недостаток ЦАП со взвешивающими резистивными матрицами проявляется при большом числе двоичных разрядов (n=8…12) из-за большого различия сопротивлений взвешивающих резисторов (в 2ⁿ раз), которые трудно реализовать в интегральном исполнении. Для преодоления этого недостатка используют отдельные взвешивающие матрицы для младших, средних и старших разрядов двоичного кода с дополнительным пропорциональным делением выходных напряжений матриц не старших разрядов или резистивные матрицы типа R-2R (рис. 10.7.3а).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию АЦП, опишите его принцип работы.

2. Приведите схему АЦП с интегрированием.

3. Приведите схему АЦП с последовательностным сравнением.

4. Каковы основные характеристики АЦП?

5. Дайте определение понятию ЦАП.

Размещено на Allbest.ru