Аналогово-цифровые преобразователи

Введение

Задача АЦП – это преобразование напряжения в последовательность цифровых значений этого напряжения, которое измеряется через равные промежутки времени. Разрядность выходных данных является одним из основных параметров АЦП. Данный параметр обеспечивает отношение сигнал/шум преобразования и в конечном итоге динамический диапазон цифрового сигнала. Данное отношение (сигнал/шум) стараются увеличивать, для этого увеличивают разрядность АЦП. Отношение сигнал/шум аналого-цифрового преобразователя определяется исходя из формулы:

SN = N  6,02 + 1,76 (дБ)

где N – количество двоичных разрядов на выходе АЦП [1].

Еще одним важным параметром АЦП является время получения сигнала на выходе. Одной из сложнейших задач при создании АЦП является возможность получения одновременно большой разрядности и высокой скорости преобразования.

Типы АЦП

В современном мире существуют различные виды АЦП, некоторые из них:

• прямого преобразования
• последовательного приближения
• дельта-сигма

АЦП прямого преобразования

Аналого-цифровые преобразователи данного типа были разработаны в 1960-1970 годах, а в 1980 стали производиться в виде интегральных микросхем. Зачастую их применяют в АЦП конвейерного типа (рис.1) [2, 3].

Конвейерная работа АЦП, применяется в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования. В них данные передаются по мере готовности, до окончания преобразования в отличие от обычного режима работы, когда данные передаются лишь после полного преобразования. АЦП прямого преобразования обладают разрядностью 6-8 бит и скоростью до 1 GSPS.

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

АЦП данного типа работаю по очень простому принципу. Исходный сигнал подается на все положительные входы компараторов одновременно, а к минусовым подтягивается опорное напряжение, пропущенное через делители. Таким образом, напряжение принимает дробные значения от опорного напряжения. Например, это может быть 1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16.

Далее происходит сравнение подаваемого напряжения с напряжением на делителях. В том случае, когда подаваемое напряжение больше, мы получаем на выходе логическую единицу, в противном же случае ноль. Затем приоритетный шифратор формирует двоичный код. Этот код зафиксируется выходным регистром.

Однако у АЦП данного типа есть недостаток. Для того чтобы получить N разрядов, необходимо 2^Nкомпараторов. Для того, чтобы получить 8 разрядов необходим 256 компараторов, а для 24 – свыше 16 млн. К сожалению, наука и техника не достигла высот, необходимых для создания таких АЦП [4].

АЦП последовательного приближения

В основе АЦП данного типа лежит алгоритм взвешивания, разработанный Фибоначчи.

АЦП последовательного приближения работает по принципу сравнения величины входного сигнала с рядом опорных величин. Данное сравнение проходит по следующему алгоритму:

1. На входе АЦП устанавливается величина равная ½ от опорного напряжения.
2. В том случае, когда входное напряжение оказывается выше установленной величины, происходит его сравнение с величиной равной ¾ от опорного напряжения, в противном случае сравнение происходит с величиной равной ¼ от опорного напряжения.
3. Данная последовательность повторяется n-е количество раз. Данное число порождает n бит результата

АЦП данного типа состоят из ряда узлов (рис.2):

• Компаратора, предназначенного для сравнения входного напряжения с опорным
• Цифро-аналогового преобразователя, который формирует опорное напряжение, основываясь на поступающий, на вход цифровой код (DAC – digital-to-analogconverter)
• Регистра последовательного приближения. Его задачей является последовательное приближение по средствам генерации значения кода, подающегося на вход ЦАП (SAR – Structure activity relationship)
• Схемы выборки-хранения, которая «запоминает» значение аналогового сигнала и сохраняет его таковым на протяжении всего цикла (S/H – sample and hold circuit)

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения

Основным достоинством АЦП данного типа является высокая скорость работы. Однако точность таких преобразователей ограничена точностью внутреннего ЦАП и составляет 16-18 бит.

Дельта-сигма АЦП

Принцип действия дельта-сигма АЦП немного сложнее и отличается от типов АЦП, рассмотренных выше. Он заключается в сравнении напряжения, полученного с входа со значением, которое накопил интегратор (рис.3).

Рис. 3. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Интегратор получает сигналы положительной или отрицательной полярности, которая зависит от результата сравнения. Простыми словами данный тип АЦП представляет собой систему слежения напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис.4).

Рис. 4. Структурная схема сигма-дельта АЦП

По окончанию работы мы получаем на выходе компаратора ряд нулей и единиц. Затем данный ряд проходит через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат.

На рис. 5 мы можем видеть сигналы в АЦП при нулевом уровне на выходе (сверху) и при уровне равном половине опорного напряжения (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе

Главной особенностью сигма-дельта АЦП является высокая точность, причиной тому является крайне низкий уровень собственного шума.

Таблица

Сравнительная таблица для различных АЦП

Зачастую появляется необходимость в подключении АЦП к устройствам вывода информации. Для этого используют различные интерфейсы передачи данных.

Типы интерфейсов

SPI (от английского Serial Peripheral Interface, что переводится как последовательный периферийный интерфейс) – последовательный, полнодуплексный стандарт передачи данных. Обеспечивает высокую скорость работы микроконтроллеров с периферийными устройствами, при этом обладает высокой надежностью.

Передача данных через такой интерфейс осуществляется пакетами, длина которых составляет 8 бит. Ведущее устройство инициирует цикл связи по средствам установки низкого уровня на выводе того устройства, с которым необходимо установить соединение (подчиненного устройства (SS)). При низком уровне сигнала SS:

• ведомое устройство находится в активном состоянии;
• вывод MISO переводится в режим «выход»;
• тактовый сигнал SCLK от ведущего устройства принимается ведомым и запускает считывание на входе MOSI передаваемых значений.

Данные, которые необходимо передать в сдвиговые регистры обоих устройств. Ведущее устройство генерирует импульсы синхронизации на линии SCLK, в результате чего устройства обмениваются данными по линии MOSI от ведущего устройства к ведомому и по линии MISO в обратном направлении (рис. 6). Как правило, передача осуществляется, начиная со старших битов, однако в ряде случаев производители допускают изменение порядка передачи битов программными методами.

Рис. 6. Структура связей интерфейса SPI

QSPI

Основным отличием интерфейса QSPI от SPI является наличие буфера данных размером 32 байт, а также возможность подключения 16 периферийных устройств. При использовании SPI интерфейса так же можно управлять 16 устройствами, однако в данном случае реализация механизма переключения задействует процессорный ресурс.

MICROWIRE

Интерфейсы MICROWIRE устроены, по типу SPI интерфейсов, за исключением того, что в нем присутствуют дополнительные управляющие сигналы (ORG, WP) (рис. 7). Они не задействуются при обмене данными, но влияют на корректность чтения и записи. Скорость передачи данных у интерфейсов MICROWIRE в 2 раз меньше, чем у SPI и составляет 5 Мбит/сек.

Рис. 7. Структура интерфейса MICROWIRE

На рисунке: CS – выбор чипа, SK – генератор тактовых импульсов, SI – вход последовательных данных, SO – выход последовательных данных.

Считывание данных осуществляется по средства двухбитной команды (CMD и 6-разрядный адрес, RADDR или WADDR) до тех пор, пока данные по предыдущему адресу выводятся одновременно.

Вывод

В ходе данной статьи были рассмотрены типы аналого-цифровых преобразователей, изучены их принципы работы, основные плюсы и минусы. Также внимание было уделено описанию интерфейсов подключения АЦП к другим устройствам.

1. https://clck.ru/aq83F
2. https://www.microchipinf.com/articles/69/1105
3. https://principraboty.ru/princip-raboty-acp-sigma-delta-acp/
4. https://clck.ru/aq83J
5. https://www.analog.com/ru/products/ad7766.html#
6. https://clck.ru/aq83W
7. Микросхемы АЦП и ЦАП. - Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2005. -432 е.: ил. + CD. - (Серия «Интегральные микросхемы»). 
8. Магда Ю.С. Микроконтроллеры серии 8051: практический подход. - ДМК Пресс, 2008 – 228с.
9. Хартов В. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. – Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2012 – 280с.
10. Заец Н.И. Радиолюбительские конструкции на PIC-микроконтроллерах. Книга 3. – СОЛОН Пресс, 2011 – 240с.