АЦП поразрядного уравновешивания

 

АЦП с поразрядным уравновешивание АЦП нашли самое широкое распространение. АЦП характерны такие свойства, как большое число уровней квантования (до 14 двоичных разрядов), среднее быстродействие (10⁵- 10⁶ преобразований в секунду). Существенным недостатком АЦП ПУ являются большие значения дифференциальной и интегральной нелинейностей (0.5 - 1 цены МЗР).

На рисунке 7.16 приведена структурная схема АЦП поразрядного уравновешивания, которая включает: регистр последовательных приближений (РПП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор (К), генератор тактовых импульсов (ГИ), регистр хранения (RG), схему управления (СУ), источник опорного напряжения (ИОН). В момент поступления сигнала "Пуск" со схемы управления СУ на регистр последовательных приближений начинается цикл преобразований в АЦП в следующей последовательности:

u сигналом "Пуск" в старший разряд РПП заносится лог. "1", а в остальные разряды лог. "0";

 

 

Рисунок 7.16. АЦП с поразрядным уравновешиванием

 

u на выходе ЦАП появляется напряжение, равное половине опорного напряжения с ИОНа. Если U_ВХ > 1/2 U_ОП, то на выходе компаратора появляется лог. "1", поступающая на РПП и в старшем разряде РПП сохраняется "1", записанная при пуске преобразователя. В противном случае компаратор выдает “0” и в старшем разряде РПП стирается "1" и записывается "0";

u с поступлением второго импульса с ГИ на РПП происходит запись "1" в следующий старший разряд и на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее коду двух старших разрядов РПП, которое также может быть меньше или больше входного напряжения и во второй разряд РПП запишется "0" или "1" в зависимости от выходного состояния компаратора;

u далее происходит последовательное опробирование каждого следующего разряда РПП и последовательное сравнение входного напряжения и напряжения с ЦАП. После опроса младшего (последнего) разряда с РПП появляется сигнал "Конец преобразования" (КП), а в РПП будет записан код, соответствующий входному напряжению с погрешностью, равной ± 1/2 цены младшего значащего разряда;

u по сигналу "КП" схема управления вырабатывает сигнал "Запись" на регистр хранения и данные переносятся в RG. После этого цикл измерений повторяется по сигналу "Пуск" со схемы управления.

 

7.5.4 АЦП параллельного преобразования

Простейшая схема трехразрядного парал­лельного АЦП дана на рис. 7.17. Преобразователи этого типа осуществляют одновременное квантование сигнала с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику вход­ного сигнала. Пороговые уровни компараторов устанавливаются с помощью резистивного делителя, подключенного к источнику опорного напряжения U_oп, в соответствии с используемой шка­лой квантования. Число уровней квантования, а соответствен­но число компараторов для n-разрядного АЦП равно 2ⁿ-1.

 

Рисунок 7.17. Схема трехразрядного параллельного АЦП

При подаче на такой набор компараторов сигнала U_вх на их выходах имеет место квантованный сигнал, представленный в унитарном коде. Так, например (см. рис. 7.17), если входное напряжение не выходит за пределы диапазона от 2.5Δu до 3.5 Δu (Δu- шаг квантования), то компараторы с первого по третий устанавливаются в состояние 1, а компараторы с чет­вертого по седьмой - в состояние 0. Для преобразования унитарного кода в двоичный используется соответствующее коди­рующее устройство.

Состояния данного кодирующего устройства (для трехразрядного АЦП) показаны в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Входное напряжение	Состояние компараторов	Выходной двоичный код
Uвх	K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1	A2 A1 A0
	0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

Входное напряжение U_bx дано в условных единицах.

Основным вопросом, возникающим при проектировании параллельных АЦП, является выбор компараторов и кодирующего устройства, от которых зависят точность, быстродействие, а также надежность работы преобразователя. В схеме рис. 7.17 при преобразовании изменяющихся во времени входных сигналов могут возникнуть критические состязания, приводящие к сбоям в работе АЦП. Для борьбы с критическими состязаниями ис­пользуются различные способы противогоночного кодирования и стробирования (тактирования).

Рассмотрим две схемы параллельных АЦП. В обеих схемах (рис. 7.18 и 7.19) используются стробируемые компараторы с памятью. При подаче на управляющие входы компараторов сиг­нала, равного 1 (С=1), они работают в режиме сравнения и усиления, а при подаче сигнала 0 (С=0) - в режиме запомина­ния.

В схеме рис. 7.18 выборка входного аналогового сигнала происходит после появления фронта стробирующего импульса С. Кодирование происходит с момента поступления на управляющий вход кодирующего устройства среза стробирующего импульса. Результат записывается в выходной буферный регистр с появ­лением фронта следующего стробирующего импульса. В данной схеме компараторы работают в режиме слежения и запоминания, т.е. кроме функции сравнения они выполняют функции устройств выборки и хранения. Таким образом, процесс квантования со­вмещается с процессом дискретизации, а для запоминания вы­борочных значений U_вx(t) используются цифровые устройства. Такие УВХ, в отличие от аналоговых, называют цифровыми.

 

 

Рисунок 7.18. Схема параллельного АЦП, использующего стробируемые компараторы с памятью (вариант 1)

 

 

Как следует из таблицы состояний кодирующего уст­ройства, компараторы устанавливаются в состояние 1 по оче­реди - снизу вверх. Однако такая очередность не гарантирует при крутых фронтах (в данном случае - срезах) стробирующего импульса, так как из-за различия во временах задержки ком­параторы могут переключаться в любом порядке. Это пере­ходное состояние при определенных неблагоприятных обстоя­тельствах (когда срез стробирующего импульса и фронт сигна­ла U_вx(t) совпадают) может быть записано в память компара­торов. Чтобы избежать этого, в параллельном АЦП, представ­ленном на рис. 7.19, используется логическое устройство ЛУ осуществляющее выделение верхнего срабатывающего компарато­ра, а в качестве кодирующего устройства - постоянное запо­минающее устройство ПЗУ, выполненное на диодной матрице и работающее только на считывание.

 

 

Рисунок 7.19. Схема параллельного АЦП, использующего стробируемые компараторы с памятью (вариант 2)

 

В этой схеме ЛУ преобразует прямые и инверсные выходные сигналы компараторов с памятью таким образом, что логиче­ская 1 остается только на одной шине, соответствующей выс­шему (при отсчете снизу) номеру сработавшего компаратора. Этот сигнал позволяет считывать нужный результат из ПЗУ (выполнено на диодной матрице и работает только на считывание), которое имеет все возможные для данного АЦП кодовые комби­нации.

В рассмотренных схемах для работы АЦП без сбоев необхо­димо, чтобы за время считывания t_c результатов с выходов компараторов входной сигнал U_вх(t) изменился не более чем на значение шага квантования Δu, т.е.

Δu ≥ U_вх (t)t_c.

Параллельные АЦП обладают самым высоким быстродействием среди других типов АЦП, определяемым быстродействием компараторов и задержками в кодирующем устройстве. Недо­статком их является необходимость в большом количестве ком­параторов. Так, для восьмиразрядного АЦП требуется 255 ком­параторов. Это затрудняет реализацию многоразрядных (свыше 6-8) АЦП в интегральном исполнении. Кроме того, точность преобразования ограничивается точностью и стабильностью компараторов и резистивного делителя. На основе этого спо­соба строят наиболее быстродействующие АЦП со временем пре­образования в пределах десятков и даже единиц наносекунд, но ограниченной разрядности (не более шести разрядов).

 

8 ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ. ОРГАНИЗАЦИЯ ШИН

8.1 СБОР ДАННЫХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА

К числу технических средств общего назначения, которые можно соединять друг с другом с помощью последовательного интерфей­са, относятся устройства сбора данных и управления. Такие устрой­ства позволяют преобразовывать аналоговые сигналы под управле­нием компьютера IBM PC. Главное преимущество этого подхода состоит в том, что для его реализации нет необходимости вводить в компьютер какие-либо дополнительные платы. Все соединения яв­ляются внешними и осуществляются через асинхронный связной адаптер. Этим обеспечивается дополнительная развязка между ком­пьютером и установкой для сбора данных — по сравнению с обыч­ной системой сбора данных с шинным соединением. Основным не­достатком такого подхода можно считать то обстоятельство, что достижимая здесь скорость передачи ограничивается необходимос­тью передавать все данные по последовательному каналу, тогда как специализированная шинная система позволяет передавать дискре-тизированные данные в компьютер PC в параллельном формате.

На рис. 8.1 показан пример, как с помощью кабеля интерфейса RS-232 можно соединить несколько подобных устройств сбора ин­формации. В данном примере компьютер PC управляет доступом к тому или иному из них в заданный момент времени, направляя собственный адрес этого устройства для перевода его в активное состояние. Поскольку доступ к последовательному интерфейсу осу­ществляется в режиме коллективного пользования, только одно устройство может взаимодействовать с PC в конкретный момент времени. Устройство, расположенное ближе всех к PC, получает со­общение и затем ретранслирует его на следующее устройство через последовательный интерфейс. В типичном случае компьютер выби­рает то или иное устройство и выдает команды на выполнение та­ких операций, как задание частоты отсчетов при дискретизации дан­ных, задание числа выборок данных, подлежащих преобразованию, и начало

 

 

Рисунок 8.1. Схема компьютерного управления дистанционными датчиками, подключаемыми к компьютеру через последовательный интерфейс.

преобразования. После того как устройство выполнит эту задачу, ему будет выдана с компьютера команда на передачу дис-кретизованных данных обратно (на компьютер). После этого ком­пьютер осуществляет необходимую обработку полученных данных, заносит их в память и отображает на экране дисплея.

В качестве примера такого подхода можно привести контроль температуры на различных стадиях производственного процесса. Каждое удаленное устройство может выполнять дискретизацию из­меренных значений температуры в месте своего расположения и по запросу направлять полученные результаты обратно на PC.

 

 

8.2. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Для текущего контроля и регулирования температуры различ­ных процессов широко используются самые разнообразные датчики температуры. Так, в пищевой промышленности для обеспечения высокого качества пищевых продуктов необходимо контролировать температурно-временные циклы их обработки. Исследователей, ра­ботающих в автомобильной промышленности, интересует темпера­тура в циклах сжатия и выхлопа двигателей. Точные измерения температуры требуются для обеспечения максимальной теплоотда­чи в преобразователях солнечной энергии. Измерения температуры способствуют экономному расходованию энергии в быту и на про­изводстве. В заданных пределах должна поддерживаться темпера­тура в больничных инкубаторах для новорожденных.

Существует множество способов измерения температуры самы­ми разными датчиками, работа которых основана на различных принципах. Если устройство содержит датчик температуры и дру­гие необходимые компоненты, обеспечивающие отображение значе­ния температуры, то это устройство называется термометром. На рис. 8.1 приведена структурная схема электронного термометра, объединенного с ЭВМ и контроллером. В этой главе мы обсудим термометры на рл-переходах, а также термопарные и термистор-ные термометры, широко используемые в измерительной технике. Будут также описаны некоторые другие типы электронных термо­метров.

 

8.2.1. Термометры на рn -переходах

Эффект зависимости свойств рл-перехода от температуры, неже­лательный в большинстве применений, можно с успехом использо­вать для измерения температуры. Датчики на рn - переходах ха­рактеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от тем­пературы, но, как и всякие полупроводниковые устройства, работоспособны только в ограниченном интервале температур.

 

 

Рисунок 8.2. Структурная схема электронного термометра.