Измерительные преобразователи

1. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)

АЦП предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП.
Частота дискретизации (или частота преобразования) – частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации. Измеряется в Герцах.
Интервал времени между отсчетами Тотс:

Классификация АЦП
АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП);
АЦП последовательного приближения, (АЦП последовательного счета);
Последовательно -параллельные АЦП;
Интегрирующие АЦП;
Сигма -дельта АЦП.

Параллельные АЦП
используется массив компараторов, каждый из которых сравнивает входное напряжение с индивидуальным опорным напряжением.
Опорное напряжение для каждого компаратора формируется на встроенном прецизионном резистивном делителе. Значения опорных напряжений начинаются со значения, соответствующего МЗР, и увеличиваются при переходе к каждому следующему компаратору с шагом, равным Uоп/2n. 3-х разрядный АЦП имеет 23-1 или семь компараторов. Для 8-разрядного параллельного АЦП потребуется уже 255 (или (28-1)) компараторов.
Пример. Uоп/2 < Uвх < 5Uоп/8, тогда Uвх попадает в интервал между Uоп/2 и 5Uоп/8, таким образом, 4 нижних компаратора (младшие разряды) имеют на выходе "1", а верхние три компаратора (старшие разряды) - "0". Шифратор (приоритетный) преобразует 7 - разрядное цифровое слово с выходов компараторов в двоичный код (1002).

Параллельные АЦП
Область применения параллельных АЦП – высокоскоростные устройства
Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5Г (5*109) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных разработок.
Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии.
Недостаток таких АЦП: из-за необходимости использовать большое количество компараторов параллельные АЦП потребляют значительную мощность, и их нецелесообразно использовать в приложениях с батарейным питанием.

АЦП последовательного приближения
В основе АЦП данного типа лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования все выходы этого регистра устанавливаются в логический “0”, за исключением старшего разряда. Это формирует на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП. А выход компаратора переключается в состояние, определяющее разницу между сигналом на выходе ЦАП и измеряемым входным напряжением. Это состояние записывается в старший разряд n. Затем в следующий разряд (n-1) принудительно записывается «1». Это формирует на выходе внутреннего ЦАП напряжение Uвых, значение которого равно либо ¼ , либо ¾ входного диапазона АЦП. Полученное напряжение Uвых ЦАП сравнивается с Uвх, результат записывается в (n-1) разряд. И так далее.

АЦП последовательного приближения
В начале цикла преобразования все выходы регистра устанавливаются в логический “0”, старший (т.е. 8) в “1”.
На выходе внутреннего ЦАП формируется сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП (обычно 0,5·Uоп).
меньше, значит в старший разряд записывается “0”.
Затем в следующий разряд – 7 записывается «1», UЦАП=0,25·Uоп. Измеряемое напряжение больше, значит в 7 разряд записывается “1”. В 6 разряд записывается «1», UЦАП = 3/8 Uоп. Uвх > UЦАП => в 6-м разряде будет «1». Аналогично, в 5-м разряде будет «0», в 4- м «0», в 3- м «1», во 2- м «0», в 1- м «1».
Измеряемое напряжение

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:
• По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.
• По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.
• По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.
• По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.
Принцип преобразования заключается в суммировании всех разрядных токов (или напряжений), взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения. Другими словами, преобразование заключается в суммировании токов или напряжений, пропорциональных весам двоичных разрядов, причем суммируются только токи тех разрядов, значения которых равны лог. 1. В двоичном коде вес от разряда к разряду изменяется вдвое.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Структурная схема ЦАП

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Параллельная схема суммирования токов АП

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Особенности параллельной схемы суммирования токов
Такая схема ЦАП применяется при небольшом числе разрядов
(n<8)

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Последовательная схема суммирования токов
В ЦАП, выполненных по интегральной технологии, в основном применяются резистивные матрицы R-2R. Ее также называют матрицей постоянного сопротивления.
R1 = R
R2 = Rн = 2R
Rвх = 2R = Rн
Условие: если делитель нагружен на сопротивление нагрузки, то его входное сопротивление также должно быть равно сопротивлению нагрузки.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Характеристики ЦАП
Характеристика преобразования – зависимость Uвых от входного кода N (часто входной код обозначают также буквой D).
При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала N от 0 до 2 n-1 через единицу младшего разряда (ЕМЗР ) выходной сигнал Uвых(N) образует ступенчатую кривую.
В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой, которой соответствует идеальная характеристика преобразования ( 1). Реальная характеристика преобразования
( 2 ) может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Параметры ЦАП
Статические параметры
• Разрядность
• Разрешающая способность (относительная, абсолютная)
• Напряжение питания
• Уровни управляющего напряжения
• Величина опорного напряжения
• Максимальный выходной ток
• Погрешность преобразования:
• погрешность полной шкалы ( абсолютная погрешность преобразования);
• погрешность смещения нуля;
• погрешность линейности (нелинейность преобразования);
• дифференциальная погрешность (дифференциальная нелинейность преобразования).