🗊Презентация Глава 4_3

ЦИФРОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ГЛАВА 4: ЦИТ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И ЦЕПЕЙ ЧАСТЬ 3 В.Г. Кнорринг

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ − АЦП АЦП, как и ЦАП, может быть: самостоятельным модулем; частью цифрового прибора; частью микроконтроллера или микроконвертера; микросхемой, требующей дополнительных элементов для правильного функционирования.

ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ АЦП Предварительное преобразование напряжения в перемещение твёрдого тела электронного луча луча света? в длительность интервала времени в частоту гармонического или импульсного сигнала Сравнение напряжений с помощью делителя на одинаковых резисторах с помощью ЦАП цепями, развёрнутыми в пространстве Сравнение интегралов (charge balance) двухтактное или многотактное интегрирование сигма-дельта модуляция

АЦП С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ АЦП с преобразованием в перемещение твёрдого тела строились на основе самопишущих приборов и приборов со световым отсчётом («digizet»). Сейчас вышли из употребления.. АЦП с преобразованием в перемещение электронного луча использовались в ранних системах цифровой связи, обеспечивая высокое быстродействие. Сейчас вышли из употребления. АЦП с преобразованием в параметры светового луча (например, поворот плоскости поляризации), возможно, получат распространение в связи с развитием фотоники. АЦП с преобразованием в длительность интервала времени преимущественно применялись в ранних электронных цифровых вольтметрах. Возможно, они сохранились в амплитудных анализаторах ядерной физики (см. главу 2). АЦП с преобразованием в частоту применялись в некоторых цифровых вольтметрах. Сейчас они (с помощью микросхем, рассмотренных в главе 2) могут использоваться для решения нестандартных измерительных задач.

АЦП СО СРАВНЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ДЕЛИТЕЛЯ НА ОДИНАКОВЫХ РЕЗИСТОРАХ − FLASH ADC, АЦП СЧИТЫВАНИЯ

ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ (PIPELINED − КОНВЕЙЕРНЫЕ) АЦП Согласно статье

ТОЛЬКО ЭТИ ТРИ КЛАССА ВСТРЕЧАЮТСЯ В ТАБЛИЦЕ ВЫБОРА АЦП ФИРМЫ ANALOG DEVICES Фрагмент таблицы:

КОНВЕЙЕРНЫЕ АЦП − «ГИБРИД» АЦП СЧИТЫВАНИЯ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ

СТУПЕНЬ КОНВЕЙЕРНОГО АЦП (По той же статье)

ТИПИЧНАЯ ОБЩАЯ СТРУКТУРА КОНВЕЙЕРНОГО АЦП

ПРИМЕР СОВРЕМЕННОЙ МИКРОСХЕМЫ КОНВЕЙЕРНОГО АЦП

ОПИСАНИЕ МИКРОСХЕМЫ AD9283

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ МИКРОСХЕМЫ AD9283

АЦП С АНАЛОГОВОЙ СВЁРТКОЙ Параллельно-последовательное преобразование, как и другие принципы развёртывания цепей сравнения в пространстве, обеспечило высокую скорость преобразования при умеренной сложности АЦП. Из других испробованных принципов принципиальный интерес представляет аналоговая свёртка. Только в АЦП с аналоговой свёрткой каждый компаратор срабатывает независимо от поведения компараторов предшествовавших ступеней. Хотя интерес разработчиков к аналоговой свёртке, по-видимому, затух, об этом принципе нужно сказать несколько слов. Остальные известные структуры с развёртыванием цепей сравнения в пространстве можно не рассматривать.

КАСКАД АНАЛОГОВОЙ СВЁРТКИ Диаграммы работы АЦП с аналоговой свёрткой строятся в функции не времени, а входного напряжения

СТРУКТУРА СВЁРТОЧНОГО АЦП

ПОСТРОЕНИЕ ОБЩЕЙ ДИАГРАММЫ РАБОТЫ СВЁРТОЧНОГО АЦП

ОСОБЕННОСТЬ СВЁРТОЧНОГО АЦП Последовательность каскадов аналоговой свёртки формирует цифровой результат в коде Грея. Для обеспечения однородности выходной код оконечного АЦП считывания тоже преобразуют в код Грея. Это позволяет считывать цифровой результат преобразования в произвольный момент времени.

АЦП СО СРАВНЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЦАП В зависимости от устройства автомата уравновешивания возможны разные алгоритмы преобразования. При счётчике, прекращающем счёт, если UЦАП>Ux, получается развёртывающее преобразование. При реверсивном счётчике, меняющем направление счёта в зависимости от знака разности Ux − UЦАП, получается следящее преобразование. При регистре последовательных приближений (sequential approximation register, SAR) получается поразрядное уравновешивание (дихотомия, последовательное приближение). Последний термин неточен, но укоренился именно он.

Развёртывающее преобразование, по-видимому, сейчас используется только радиолюбителями. Развёртывающее преобразование, по-видимому, сейчас используется только радиолюбителями. Следящее преобразование было довольно популярно в 1960-х годах. Сейчас применяется для решения специальных задач (например, в микросхемах для работы с СКВТ). Последовательное приближение в своё время было основным алгоритмом работы цифровых вольтметров (сейчас вытеснено двухтактным интегрированием). Продолжают выпускаться микросхемы АЦП последовательного приближения, самостоятельные и в составе микроконтроллеров, часто многоканальные.. Некоторые другие алгоритмы уравновешивания (например, подекадное развёртывание) были предложены для цифровых вольтметров, но перестали применяться. Принцип последовательного приближения и соответствующие микросхемы АЦП следует рассмотреть подробнее. У микросхем сначала расмотрим аналоговую сторону, затем цифровую сторону − интерфейсы.

ПРИМЕР ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ По книге: Солопченко Г.Н. Измерительные информационные системы. − СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010, с. 117. Разряды пронумерованы от старшего к младшему, диапазон преобразования АЦП 0…1023 мВ. Ux = 586,5 мВ.

ПРИМЕР В ВИДЕ ВРЕМЕННǑЙ ДИАГРАММЫ По книге: Орнатский, с.423. Диапазон преобразования АЦП 0…255 В. Ux = 43 В.

ПОПРАВКА К ПРИМЕРАМ СОЛОПЧЕНКО И ОРНАТСКОГО Для получения симметричного распределения погрешности квантования напряжение ЦАП нужно сместить на половину кванта!

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ

ПОСТОЯНСТВО ПРЕОБРАЗУЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ ВСТРОЕННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ВЫБОРКИ − ХРАНЕНИЯ УВХ (SAMPLE/HOLD, TRACK/HOLD)

СТРУКТУРЫ МИКРОСХЕМ АЦП AD7811/AD7812

СТРУКТУРА ПСЕВДО−ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВХОДА АЦП

ПРОГРАММНЫЙ ВЫБОР СТРУКТУРЫ ВХОДНОЙ ЦЕПИ ЧЕТЫРЁХКАНАЛЬНОГО АЦП AD7811 (ДЛЯ ВОСЬМИКАНАЛЬНОГО АЦП AD7812 ИМЕЕТСЯ АНАЛОГИЧНАЯ, БОЛЕЕ СЛОЖНАЯ ТАБЛИЦА)

НАЛИЧИЕ В СТРУКТУРЕ АЦП БЛОКА SIGNAL SCALING МОЖЕТ ОЗНАЧАТЬ ВХОД ЧЕРЕЗ РЕЗИСТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

РЕЗИСТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НА ВХОДЕ МИКРОСХЕМ АЦП AD7895-10 И AD7895-3

РЕЗИСТИВНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НА ВХОДЕ МИКРОСХЕМ АЦП AD7899

ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ МИКРОСХЕМ АЦП Источник опорного напряжения UREF может быть: внешним для микросхемы (external); внутренним, встроенным в микросхему (internal); внутренним с возможностью подачи внешнего опорного напряжения (при отключении внутреннего источника, как у AD7811/AD7812, или без его отключения). Иногда под внутренним опорным напряжением АЦП имеется в виду напряжение питания. Тогда обычно указывается диапазон преобразования от нуля до VDD и рекомендуется питание АЦП от микросхемы ИОН.

ПОДАЧА ВНЕШНЕГО ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БЕЗ ОТКЛЮЧЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ИСТОЧНИКА В МИКРОСХЕМЕ АЦП AD7899

AD7899 − ПРИМЕР МИКРОСХЕМЫ АЦП С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ

ВЫБОР ИСТОЧНИКА ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ В АЦП AD7899

AD7862 − ПРИМЕР МНОГОКАНАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ АЦП С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ АЦП AD7862 БЕЗ ПЕРЕХОДА В РЕЖИМ ПОНИЖЕННОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ АЦП AD7862 С ПЕРЕХОДОМ В РЕЖИМ ПОНИЖЕННОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС ПОЗВОЛЯЕТ РЕЗКО СОКРАТИТЬ ЧИСЛО ВЫВОДОВ МИКРОСХЕМЫ

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ АЦП AD7896 (РАЗДЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ВЫДАЧИ КОДОВОГО РЕЗУЛЬТАТА)

МИКРОСХЕМА АЦП БЕЗ ВЫВОДА BUSY

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРЕРЫВАНИЯ ПО ГОТОВНОСТИ АЦП AD7091

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ АЦП AD7091 С СИГНАЛИЗАЦИЕЙ ГОТОВНОСТИ ПО ВЫВОДУ SDO

МИКРОСХЕМЫ АЦП С СОВМЕЩЁННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ВЫДАЧИ КОДОВОГО РЕЗУЛЬТАТА НЕ ТРЕБУЮТ СИГНАЛОВ ЗАПУСКА И ГОТОВНОСТИ

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ АЦП AD7452 С СОВМЕЩЁННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ВЫДАЧИ КОДОВОГО РЕЗУЛЬТАТА

В ОПИСАНИИ АЦП AD7476/AD7477/AD7478 ОБСУЖДЕНЫ ПРОБЛЕМЫ СОПРЯЖЕНИЯ ПРИ СОВМЕЩЁННОМ РЕЖИМЕ

АЦП СО СРАВНЕНИЕМ ИНТЕГРАЛОВ ПРЕОБРАЗУЕМОГО И ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЙ Два важнейших принципа построения АЦП со сравнением интегралов: Двухтактное (многотактное) интегрирование В лабораторных цифровых вольтметрах и мультиметрах В микросхемах АЦП, предназначенных для портативных мультиметров и других переносных приборов (термометров, люксметров…) с питанием от гальванических элементов Сигма-дельта (ΣΔ) –модуляция В микросхемах АЦП, предназначенных для аудиотехники В низкочастотных измерительных микросхемах АЦП общего назначения В специализированных измерительных микросхемах В микросхемах ΣΔ-модуляторов, не являющихся АЦП

ДВУХТАКТНОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ

ВЫВОД ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ФОРМУЛЫ

АЦП ДВУХТАКТНОГО ИНТЕГРИРОВАИЯ ИМЕЮТ СВОЙСТВА ЧАСТОТНОГО ФИЛЬТРА

АНАЛОГОВЫЙ БЛОК АЦП ДВУХТАКТНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ (МОДУЛЯ КАМАК ЗАВОДА «ВИБРАТОР»)

АНАЛОГОВАЯ ЧАСТЬ МИКРОСХЕМЫ КР572ПВ2 (По книге: Гутников, 1988, с. 256)

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ МИКРОСХЕМЫ КР572ПВ2 (По книге: Гутников, 1988, с. 260)

АНАЛОГОВАЯ ЧАСТЬ МИКРОСХЕМ АЦП ФИРМЫ MAXIM

ЦИФРОВАЯ ЧАСТЬ МИКРОСХЕМ АЦП ФИРМЫ MAXIM (С выходом на жидкокристаллический индикатор)

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ МИКРОСХЕМ АЦП ФИРМЫ MAXIM

ΣΔ-МОДУЛЯЦИЯ Происхождение термина: Дельта-модуляцией было названо кодирование приращений напряжения. В каждом такте 1 или 0 означали положительное или отрицательное приращения, как в АЦП следящего уравновешивания. Сигма-дельта-модуляцией назвали кодирование приращений интеграла напряжения. Точно так же в каждом такте формируется 1 или 0; выходной сигнал ΣΔ-модулятора характеризуется как bit stream − поток битов. ΣΔ-модулятор похож на преобразователь напряжение→частота с формированием импульса обратной связи тактовым генератором, но может содержать не один, а несколько интеграторов. Сигнал обратной связи обычно биполярный: ± UREF.

ΣΔ-МОДУЛЯТОР И ПОСТРОЕННЫЙ НА НЁМ АЦП

ДОСТОИНСТВА АЦП С ΣΔ-МОДУЛЯТОРАМИ Высокая разрядность, обычно 16 или 24 бита, получаемая благодаря многоступенчатой цифровой фильтрации. Высокая линейность характеристики: сам модулятор одноразрядный, и нет причин нелинейности. «Передискретизация», высокая частота обращений к входному сигналу, многократно превышающая частоту выдачи цифровых результатов. Возможность подавления помех определённых частот цифровым фильтром.

НОМЕНКЛАТУРА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ΣΔ-АЦП Измерительные ΣΔ-АЦП очень разнообразны. Встречаются микросхемы, содержащие 4, 6 или 8 одновременно работающих измерительных каналов. Встречаются микросхемы с мультиплексорами на входе одного канала ΣΔ-модуляции и цифровой фильтрации. Встречаются микросхемы с возможностью выбора частоты преобразований, структуры входных цепей, вида характеристики (униполярная или биполярная). Встречаются простые одноканальные микросхемы с режимом READ ONLY, с жёстко заданной частотой преобразований.

ПРИМЕР МИКРОСХЕМЫ АЦП СРЕДНЕЙ СЛОЖНОСТИ − AD7790

ОПИСАНИЕ ВЫВОДОВ АЦП AD7790 (НАЧАЛЬНАЯ ЧАСТЬ)

ВОЗМОЖНАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ АЦП AD7790 (Интерфейс изображён ошибочно)

ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЦП ПРИ ЧАСТОТЕ ВЫДАЧИ ЦИФРОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 16,6 ГЦ

КОММУНИКАЦИОННЫЙ РЕГИСТР МИКРОСХЕМЫ AD7790 (Общение с микросхемой начинается с записи в него!)

АДРЕСАЦИЯ РЕГИСТРОВ МИКРОСХЕМЫ AD7790

РЕГИСТР РЕЖИМА МИКРОСХЕМЫ AD7790

РЕГИСТР ФИЛЬТРА МИКРОСХЕМЫ AD7790

АЦП AD7790: ОДНОКРАТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

АЦП AD7790: НЕПРЕРЫВНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

АЦП AD7790: НЕПРЕРЫВНОЕ ЧТЕНИЕ

ПРИМЕР МИКРОСХЕМЫ АЦП БЕЗ ВНУТРЕННИХ РЕГИСТРОВ − AD7171

НЕБУФЕРИРОВАННЫЙ ВХОД МИКРОСХЕМЫ АЦП AD7171

ФИЛЬТР SINC3 МИКРОСХЕМЫ АЦП AD7171

ПОДКЛЮЧЕНИЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРА К МИКРОСХЕМЕ АЦП AD7171

ПРИМЕР МИКРОСХЕМЫ ΣΔ−АЦП С МУЛЬТИПЛЕКСОРОМ − AD7173-8

СТРУКТУРА МИКРОСХЕМЫ AD7173-8

СИСТЕМА ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ МИКРОСХЕМЫ AD7173-8

НА ВХОДЕ ΣΔ−АЦП МОГУТ БЫТЬ РЕЗИСТИВНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МИКРОСХЕМЫ ΣΔ−АЦП «Слабая специализация» Микросхемы АЦП для мостовых датчиков Многоканальные АЦП для медицинской аппаратуры «Сильная специализация» Микросхемы цифровых термометров Преобразователи ёмкость→код Микросхемы для электроэнергетики, в частности, для электросчётчиков

ПРИМЕР МИКРОСХЕМЫ АЦП ДЛЯ МОСТОВЫХ ДАТЧИКОВ − AD7730

СТРУКТУРА МИКРОСХЕМЫ AD7730

СОЕДИНЕНИЕ АЦП AD7730 С МОСТОВЫМ ДАТЧИКОМ

ПИТАНИЕ МОСТОВОГО ДАТЧИКА ПЕРЕМЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ОТ АЦП AD7730

БОЛЕЕ НОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ АЦП ДЛЯ МОСТОВЫХ ДАТЧИКОВ − AD7796/AD7797

ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСХЕМ АЦП AD7796/AD7797

МИКРОСХЕМЫ АЦП AD7796/AD7797 В ЦИФРОВЫХ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕСАХ

ТРЁХКАНАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ АЦП ДЛЯ МОСТОВЫХ ДАТЧИКОВ

ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП AD7798

ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП AD7799

МИКРОСХЕМЫ АЦП AD7798/AD7799 В ЦИФРОВЫХ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕСАХ

ПРИМЕР МНОГОКАНАЛЬНОГО АЦП ДЛЯ КАРДИОГРАФОВ И ЭНЦЕФАЛОГРАФОВ − AD7716

КАСКАДНОЕ СОЕДИНЕНИЕ МИКРОСХЕМ АЦП AD7716

АЦП AD7716 В РЕЖИМЕ ВЕДУЩЕГО (MASTER)

АЦП AD7716 В РЕЖИМЕ ВЕДOMOГО (SLAVE)

ПРИМЕР МИКРОСХЕМЫ АЦП ДЛЯ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА − ADT7410

СТРУКТУРА МИКРОСХЕМЫ ADT7410

ПРИМЕР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЁМКОСТЬ→КОД − AD7150

СТРУКТУРА МИКРОСХЕМЫ AD7150

ВАРИАНТЫ ВКЛЮЧЕНИЯ МИКРОСХЕМЫ AD7150

ПРИМЕР МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ ОДНОФАЗНОГО ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКА

СТРУКТУРА МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ ОДНОФАЗНОГО ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКА − ADE7755

ПРИМЕР МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ − ADE7953

СТРУКТУРА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ − ADE7953

ΣΔ−АЦП В МИКРОКОНВЕРТЕРЕ

СТРУКТУРА МИКРОКОНВЕРТЕРА ADuCM360 С ДВУМЯ АЦП