Аналого-цифровые преобразователи. Условное графическое обозначение: n - разрядность АЦП - функция преобразования. - презентация

1 Аналого-цифровые преобразователи. Условное графическое обозначение: n - разрядность АЦП - функция преобразования

2 Классификация АЦП.

3 Статические параметры АЦП.

4

5 Динамические параметры АЦП.

6 Искажения и погрешности от процедуры дискретизации.

7

8 АЦП прямого преобразования. Характерный признак – разомкнутая структурная схема. (1) (2) (3) (4)

9 Метод непосредственного считывания.

10 Метод непосредственного считывания (параллельный АЦП) СимволНазначениеКР AGNDАналоговая земля64 CLKТактовый сигнал47 D0…D7Выходы 0…7 разрядов, D0 – СЗР D7 – МЗР 12,13,15, 16,18,19, 21,22 DGNDЦифровая земля4 HESУправление гистерезисом61 OVFВыход переполнения10 V CC Напряжение питания +5 В32 V EE Напряжение питания –5.2 В34 V IN Аналоговый вход60 V REF+ Опорное напряжение1, 2, 3 V REF– Опорное напряжение52,53,54 V REF1/2 Вывод корректировки нелинейности 62 V REF1/4 Вывод корректировки нелинейности 37 V REF3/4 Вывод корректировки нелинейности 31 НАЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ ЦОКОЛЕВКА КОРПУСОВ Параметр Значение Единица измерения minmax Напряжение питания V CC В V EE Ток потребления V CC -300 мА V EE -350 Выходное напряжение НИЗКОГО уровня В Выходное напряжение ВЫСОКОГО уровня В Опорное напряжение V REF+ 2.5(nom) В V REF– -2.5(nom) Ток потребления от источника опорного напряжения V REF+ -20 мА V REF– -20 Входное напряжение В Входной ток ВЫСОКОГО уровня-400мкА Входной ток НИЗКОГО уровня-400мкА Входной ток-5мА Входная емкость120(typ)пФ Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы -±50мВ Нелинейность-±1±1МЗР Дифференциальная нелинейность-±1±1МЗР Максимальная частота преобразования К1107ПВ4А100- МГц К1107ПВ4Б60- Время преобразования-30нс

11 АЦП параллельно-последовательного считывания.

12 АЦП интегрирующего типа с нелинейным разрядом емкости C П УВХ

13 АЦП двойного интегрирования. Разработан в 70 годы Эвансом и Бингемом. 572ПВ5 (N x ) max = ПВ6 (N x ) max = АЦП (вольтметр) среднего значения - ; 2. На результат не влияют ни t 0 ни τ; 3. Если установить T 0 равным или кратным периоду помехи, то помеха подавляется полностью; 4. Значительное время измерения – T изм =T 0 +T x

14 1. – генератор случайных чисел N с периодом Δt. Распределенных с равномерной плотностью вероятности в интервале 0 – N 0. N 0 =(1÷10)10 3 Стохастический вольтметр (АЦП). 2. ЦАП преобразует числа в короткие импульсы. 0

15 Кодо-импульсный метод квантования и кодирования временных интервалов.

16 Погрешности кодо-импульсного метода квантования и кодирования временных интервалов.

17 3. Измерение фазы Цифровой фазометр мгновенного значения. Функциональная схема. Погрешность квантования Применение ограничено из – за зависимости результата от частоты напряжения.

18 3.2. Цифровой фазометр с независимым результатом измерения фазы от частоты. Блок – схема фазометра. Блок-схема множительного устройства (MY-k). Для квантования используется частота входного сигнала, умноженная на k. ДУ-m – K155ИЕ8 Условие баланса:

19 Измерение параметров электрических цепей. 1. Измерение R, C, L. Δt – дополнительная погрешность.

20 2. Измерение добротности Q. Т. к., то Если Декремент затухания

21 АЦП уравновешивания. Отличительный признак – замкнутая структура с обратной связью. 1. Погрешность прямой цепи (АЦП) уменьшается в (1+βK) раз. 2. Погрешность обратной связи (ЦАП) всегда на порядок меньше при тех же схемотехнических элементах. (1)

22 Квантование и кодирование. Метод последовательного счета.

23 Структурная схема АЦП последовательного счета.

24 Квантование и кодирование методом последовательного приближения. (Метод поразрядного уравновешивания)

25 АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания).

26 АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания). СимволНазначениеКР AGNDАналоговая земля5 BOFS Вход смещения характеристики преобразования 3 BUSYВыход состояния14 CLKВход тактового сигнала17 CSВход сигнала адресации16 DO...07 Выходы разрядов, DO МЗР DGNDЦифровая земля18 RDВход считывания и записи15 VccНапряжение питания1 vinАналоговый вход4 V REF Опорное напряжение2 НАЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ КР572ПВ3 ЦОКОЛЕВКА КОРПУСОВ ПараметрыЗначениеЕдиница измерения Напряжение питания +5 ± 5%В Ток потребления при V CC = В, V IN = 0 В 4.0мА Опорное напряжение –10В Выходное напряжение НИЗКОГО уровня при V CC = В, V IN = 0.2 В 0.8 В Выходное напряжение ВЫСОКОГО уровня при V IN = 10.2 В 4.0В Напряжение смещения нуля на входе точках шкалы ± 30мВ Абсолютная погрешность преобразования в конечных точках шкалы ± 4.5МЗР Нелинейность ± 0.5МЗР Дифференциальная нелинейность ± 0.75МЗР Частота внутреннего тактового генератора при V CC = В, V IN = 0 В 1.5МГЦ Время преобразования 7.5мкс Основные электрические параметры при: V CC = +4.75В, V REF = –10 В, V IN = 0…10 В, T A = +25°С

27 АЦП следящего уравновешивания. Особенности: - высокое быстродействие; - сжатие информации. & 1 =1 & 2 =0 & 1 =0 & 2 =1 & 1 =& 2 =0 Быстродействие:

28 Дифференциальный метод коррекции цифровых приборов. Коррекция осуществляется в два такта: 1. Ключи в положении «1», X измеряется и записывается в регистр N X с погрешностями ЦИП – аддитивной δx a и мультипликативной Δx m = Xγ m. 2. В положении «2» измеряется разность (X – X к ) и записывается в регистр ΔN x и при суммировании определяется скорректированный результат где отсутствуют и мультипликативная и аддитивная погрешности.

29 Цифровые мостовые измерительные схемы. Мосты постоянного тока широко используются при измерении малых напряжений – от терморезисторов, тензорезисторов и т. п. 1. Сбалансированный мост постоянного тока. (Уинстона). Условие баланса: U a = U б. Баланс не зависит от Е п. Методические погрешности нелинейности отсутствуют Параллельное уравновешивание моста. R м – установка начального состояния. Момент уравновешивания фиксирует компаратор, включенный в диагональ.

30 1.2. Последовательное уравновешивание моста. Используются цифровые потенциометры. Блок – схема цифрового 8-ми разрядного потенциометра AD Входной код Х в DC преобразуется в позиционный унитарный, который по 256 линиям управляет ключами К. Шаг квантования R q = R. (R п ) мах = 256R. В интегральной схемотехнике имеются ИМС – потенциометры: -АD 569 – 16-ти разрядный потенциометр высокой линейности; -АD 5231 – 10-ти разрядный потенциометр с автоматической калибровкой и памятью. Блок – схема AD R q = (1, 10, 50, 100)кОм

31 2. Несбалансированный мост постоянного тока. Напряжение в диагонали U D с известной точностью пропорционально ΔR. Нелинейность δ н = 0,5%.Зависимость от ΔЕ п. Измерение небаланса U D. Логометрическая схема преобразования не зависит от напряжения питания, т.к. мост и АЦП питаются от одного опорного напряжения U 0. Если использовать 4 тензодатчика, то U D = I 0. ΔR.

32 Цифровой измеритель влагосодержания в нефтепродуктах. Диэлькометрический метод основан на сильном различии диэлектрических постоянных нефти ε н 2,2 и воды ε в 80. (1) Условие баланса трансформаторного моста: Используются быстродействую- щие ключи с очень малым прямым сопротивлением и паразитной емкостью: ADG701 R п =1Ом; ADG451 R п =4Ом. (2); (3); При коммерческом учете W

33 Функциональная блок-схема диэлькометрического влагомера. Блок-схема.Временные диаграммы работы. С учетом неполного включения компенсирующих емкостей в контур уравнове- шивания реальная емкость компенсации: и

34 Цифровые устройства в термометрических системах. 1. Основные типы термодатчиков, широко используемых в технологических измерениях. Термодатчики используются в аналоговых измерительных преобразователях: -ИП на биполярных транзисторах; -ИП на терморезисторах; -ИП на термопарах. Дальнейшее преобразование и обработка измерительных сигналов производится в цифровой форме, и представляется в виде различной сложности и интеграции термоизмерительных систем. Полупроводник овые на биполярных транзисторах РезистивныеТермопара Диапазон измерения (-55…+150) 0 С(-200…+850) 0 С(-180…+2300) 0 С Точность Линейность 1 0 С Точность 1 0 С Высокая линейность Линейность приемлемая Чувствительность(10 ÷ 20 мВ/К)(1 ÷ 5 мВ/К)Низкая ОсобенностиВнешнее питание Дополнительный датчик термокомпенсации Параметры Тип датчика

35 1. Первичные термоизмерительные преобразователи на переходах Б – Э биполярных транзисторов Физические основы. Соотношение определяет напряжение на переходе. Влияние I К0 можно устранить. Рассмотрим схему. Разность Пропорциональна абсолютной температуре Т. k – постоянная Больцмана Классическая схема измерительного термопреобразователя. Транзистор VT 2 – N одинаковых параллельно включенных транзисторов. Преобразователь имеет два выхода – по напряжению U T и по току I T Ячейка Брокау.

36 2. Первичные измерительные термопреобразователи в интегральном исполнении Типичная микросхема с выходом по напряжению – LM 135/235. Переход от К к 0 С осуществляется подключением внешнего сопротивления R. Диапазон (-50…+150) 0 С. Чувствительность 10 мВ/ 0 С. Абсолютная погрешность ±1 0 С. R вых = 0.5 Ом, К нп = С/В, I п = ( ) мА. Измерение разности. Измерение среднего Типичная микросхема с выходом по току – AD 592. Измерение средней температуры в 3х точках. Измерение разности температуры в 2х точках. U т = (I 1 – I 2 ). R 2 = ΔI. R 2 U т = (T 1 – T 2 ). B B = 10мВ/K Диапазон измерения – (-55…+150) 0 С. Чувствительность – 1 мкА/ 0 С. Абсолютная погрешность – ±1 0 С. R вых 100 МОм К нп = С/В

37 Измерительный преобразователь на интегральной микросхеме AD592. Полупроводниковый датчик AD592 имеет токовый выход: где a=1 мкА/ 0 C; b=273мкА t 0 C. Операционный усилитель на А1 суммирует токи, усиливает и масштабирует сигнал R4 и R5 – регулируют смещение и масштаб.

38 3. Примеры построения цифровых термоизмерительных систем Многоканальная система контроля (измерения) температуры. LM имеет: 8-ми входовой аналоговый мультиплексор, УВХ, измерительный усилитель с программируемым К 0, 13-ти разрядный АЦП, ОЗУ команд и оперативную память с организацией 32 х 16 бит Цифровой термометр LM 74. Разрешение С. Диапазон (-55…+150) 0 С. Режим энергосбережения. В миниатюрном корпусе SMD – micro, 5 выводов. АЦП имеет: регистр обмена, регистр калибровки, регистр режима, регистр данных ПВ4 - 8 разр. N T1 … N T8 - LM разр. Микросхемное исполнение:

39 CD система..

40 2.6. Спектр дискретизированного сигнала. 1. Формирование дискретизированного сигнала. x(t) X(ω) – спектр исходного сигнала x(t) – аналоговый финитный сигнал с верхней частотой среза ω с – единичный стробирующий импульс – периодический стробирующий сигнал Т – период или шаг дискретизации τ – длительность стробирующего импульса, в идеале τ 0 Дискретный сигнал формируется путем умножения исходного сигнала x(t) на стробирующую функцию q П (t): (1)

41 2. Спектр одиночного стробимпульса q(t) Q(ω) : Спектр периодического стробирующего сигнала q П (t) Q П (ω) : (2)(2) (3)(3) (4)(4) Подставив (4) в (3), получим: Отсюда спектр стробирующего сигнала: т.к. Q (nω 0 ) – спектр стробимпульса q(t) на частотах n = 0, ±1, ±2 … Q П (ω) – последовательность δ – функций с периодом ω 0 и огибающей Q (nω 0 ).

42 3. Спектральная плотность дискретизированного сигнала на основании теоремы о произведении функций есть свертка спектральных плотностей сомножителей: Используя фильтрирующее свойство δ-функций, получим: (5)(5) 1. Спектр есть сумма периодически повторяющихся спектральных плотностей исходного сигнала X(ω). 2. Если ω 0 < 2ω C, компоненты спектра частично накладываются друг на друга и сигнал восстанавливается с искажениями. 3. Периодически повторяющиеся компоненты спектра устраняют ФНЧ, выделяя первую информативную компоненту спектра. Требования к фильтру упрощаются, если выбрать ω 0 = (3÷4)ω C.

43

44

45 2. Декодер EFM декодирует код EFM и выделяет маркер кадровой синхронизации. 1. Тактовая синхронизация устанавливает строго расстояние между битами (их фронтами) равное или кратное периоду тактовой частоты. 3. Декодер CIRC осуществляет декодирование кодов Рида–Соломона, т.е. обнаружение и коррекция искажения символов и деперемещение, т.е. восстановление порядка их следование, который был на выходе АЦП при записи. 4. Демультиплексор разделяет последовательность импульсов на две последовательности 16-разрядных отсчетов.

46 5. АЦП-1 и АЦП-2 левого и правого каналов соответственно, формирующие 16-разрядные отсчеты с частотой f g. 1. ФНЧ - входной фильтр низкой частоты.2. G m – генератор белого шума.3. G g – генератор стробирующей частоты. f g - частота дискретизации.11. ЭД - электродвигатель. 10. Оптический диск.1. ФНЧ - входной фильтр низкой частоты.9. Оптический лазерный модулятор. Луч лазера модулируется канальным кодом, при этом на диске формируются зоны «1» и «0», которые в дальнейшем образуют «питы». 7. Блок защиты от ошибок с применением кода Рида-Соломона с перекрестным перемежением. 5. АЦП-1 и АЦП-2 левого и правого каналов соответственно, формирующие 16-разрядные отсчеты с частотой f g. 8. Канальный модулятор, в котором 8-разрядные символьные группы заменяются 14-разрядным канальным кодом. Скорость потока канальных бит определяется тактовой частотой f T = (33 x ) x 7.35 кГц = 588 x 7.35 кГц = МГц. 6. MS – мультиплексор, объединяющий каналы. В нем происходит деление непрерывной последовательности отсчетов на кадры, в каждом кадре 6 отсчетов левого и 6 отсчетов правого каналов, причем каждый отсчет разделен на младшие и старшие разряды (по 8 разрядов). Каждый кадр содержит двенадцать 16-разрядных отсчетов или 24 символьные 8-разрядные группы. - частота следования отсчетов после мультиплексора 88.2 кГц; - частота следования кадров = 88.2 : 12 = 7.35 кГц. 4. УВХ – устройство выборки и хранения.

47

48

49

50 Форматы CD и DVD. Параметры Форматы CD-R CD-RAM DVD Геометрия, мм120х1,2 Регистрирующие слои14 λ лазера, мкм0,780,63 Шаг дорожки, мкм1,60,74 Размер ПИТ, мкм ( длина х глубина ) 0,28х0,10,15х0,1 КомпрессияMPEG-1MPEG-2 Емкость700MB9,4ГВ 1. Стандарт на CD – SONY и Philips в 1982г, DVD в 1997г. 2. Емкость DVD увеличили в ~15 раз за счет: - уменьшение длины волны лазера; - уменьшение сфокусированного ядра лазерного излучения за счет улучшения оптики и уменьшения сферической абер- рации; - использование 4-х слойного диска; - более мощной компрессии.