Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных по курсу

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

ФАКУЛЬТЕТ «ИНФОРМАТИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ»

КАФЕДРА ИУ4 «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭА»

РЕФЕРАТ

на тему:

Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных

по курсу:
Периферийные устройства ЭВС

Студент: Группа ИУ4-102 В.Е.Лотник

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

Рейтинговая оценка:

Руководитель: Б.В.Артемьев

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

Москва, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ……………... ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………….. 1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ……………………………………………... 1.1. Структура системы сбора данных………………………………………………... 1.2. Датчики…………………………………………………………………………….. 1.3. Аналого-цифровой преобразователь…………………………………………….. 1.4. Схема согласования сигнала……………………………………………………… 1.5. Обработчик цифрового сигнала………………………………………………….. Выводы…………………………………………………………………………………………. 2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ………………………………………… 2.1. Алгоритм аналого-цифрового преобразования…………………………………. 2.2. Характеристики АЦП……………………………………………………………... 2.3. Архитектура АЦП…………………………………………………………………. 2.3.1. Архитектура параллельного преобразования…………………………… 2.3.2. Конвейерная архитектура………………………………………………… 2.3.3. Архитектура последовательного приближения………………………… 2.3.4. Интегрирующие АЦП…………………………………………………….. 2.3.5. Сигма-дельта архитектура………………………………………………... Выводы…………………………………………………………………………………………. 3. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.. 3.1. Измерение напряжения и тока……………………………………………………. 3.2. Измерение температуры………………………………………………………….. 3.3. Измерение освещенности…………………………………………………………. Выводы…………………………………………………………………………………………. 4. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП В СИСТЕМАХ СБОРА ДАННЫХ……………………………….. 4.1. Многоканальные системы сбора данных………………………………………... 4.2. Микросхемы многоканальных АЦП……………………………………………... Выводы…………………………………………………………………………………………. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………………..

3 4 5 5 6 6 6 7 7 8 8 9 9 11 12 13 14 1515 16 16 17 18 19 20 20 21 22 23

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

ССД – Система сбора данных

ЭВМ – Электронно-вычислительная машина

АЦП – Аналого-цифровой преобразователь

ЦАП – Цифро-аналоговый преобразователь

САУ – Система автоматизированного управления

ИП – Измерительный преобразователь

БИХ – Бесконечная импульсная характеристика

КИХ – Конечная импульсная характеристика

АМ – Аналоговый мультиплексор

ИОН – Источник опорного напряжения

ОУ – Операционный усилитель

РТД – Резистивный датчик температуры

ФНЧ – Фильтр низких частот

SPS – Samples per second – число выборок в секунду

ВВЕДЕНИЕ

В реферате рассматривается вопрос применения аналого-цифровых преобразователей в системах сбора данных.

В первой главе дается определение системы сбора данных, рассматривается ее обобщенная структура, даются основные сведения о возможных измеряемых сигналах.

Во второй главе описывается процесс аналого-цифрового преобразования, рассматриваются характеристики и архитектуры построения аналого-цифровых преобразователей с кратким описанием и характеристикой работы каждой из них. Производится сравнение микросхем АЦП, предлагаемых различными производителями.

В третьей главе рассматривается вопрос выбора АЦП для измерения физических величин, температуры и освещенности.

В четвертой главе рассматривается вопрос построения многоканальных систем сбора данных.

1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ

1.1. Структура системы сбора данных

Система сбора данных (ССД)
представляет собой набор аппаратных и программных средств, предназначенный для работы с персональным компьютером, либо специализированной ЭВМ и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значении физических параметров в заданных точках объекта исследования, первичную обработку, хранение и передачу данных [1]. Системы сбора данных являются неотъемлемой частью систем автоматизированного управления (САУ).

В зависимости от способа представления, обрабатываемая информация может быть представлена в аналоговой или цифровой форме.

Аналоговый сигнал
– непрерывный или дискретный во времени сигнал, амплитуда которого может непрерывно изменяться от наименьшего до наибольшего пределов.

Цифровой сигнал
– непрерывный или дискретный во времени сигнал, амплитуда которого может принимать конечное число значений от наименьшего до наибольшего пределов. Данные значения могут быть представлены в числовой форме, удобной для цифровой обработки сигналов, например в виде последовательности битов 0 и 1 [2].

Для преобразования сигналов из одной формы в другую используются аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

В качестве примера совместного использования аналоговых и цифровых сигналов можно рассмотреть систему контроля температуры, структурная схема которой представлена на рисунке 1.1. Здесь каждый блок представляет собой отдельную функциональную часть системы. Измеряемая температура представляет собой аналоговый сигнал, который должен быть обработан в цифровом виде. При помощи датчика осуществляется измерение температуры и преобразование ее в зависимость напряжения или тока от времени. Полученная зависимость через схему согласования сигнала поступает на вход АЦП, где производится ее преобразование в цифровой вид. С выхода АЦП данные поступают на обработчик цифрового сигнала, в качестве которого может выступать микроконтроллер, который оценивает текущее значение температуры и на основании заложенной программы выдает управляющее воздействие. Управляющее воздействие преобразовывается в напряжение или ток, подаваемый на схему управления, при помощи ЦАП. Согласно полученным данным, схема управления включает нагрев или охлаждение.

Рисунок 1.1 – Система контроля температуры

За сбор данных в данной системе отвечает цепочка устройств датчик - схема согласования – АЦП – обработчик. Данные функциональные блоки присутствуют в большинстве систем сбора данных. Рассмотрим их подробнее.

1.2. Датчики

Измерение параметров исследуемого объекта является наиболее важной задачей работы ССД.

Измерением
является процесс получения количественной информации об объекте, которым может служить предмет, физическая система, явление и т.д. [3].

Процесс измерения заключается в преобразовании входной измеряемой величины в форму, удобную для обработки, например, в электрический сигнал. При этом каждому значению входной величины, выраженной в тех или иных единицах измерения, ставится в соответствие определенное значение электрического сигнала. В качестве инструментов для измерений применяются специальные технические средства – датчики
, имеющие документированные метрологические характеристики.

Существует большое количество датчиков, предназначенных для измерения различных физических величин: давления, уровня, потока, температуры, ускорения и т.д.

1.3. Аналого-цифровой преобразователь

Бурный рост и развитие микропроцессорной техники привели к тому, что обрабатывать и хранить информацию, представленную в цифровой форме, гораздо удобнее, нежели в аналоговой. Поскольку первичная информация для ССД представлена в аналоговой форме, важной частью системы является блок аналого-цифрового преобразования.

Задача выбора из многообразия предлагаемых АЦП, имеющих различную архитектуру и характеристики, является одной из важнейших при проектировании ССД. На данный выбор влияют такие характеристики измеряемых сигналов, как допустимая погрешность измерений и скорость изменения. На рисунке 1.2 представлены некоторые возможные источники сигналов и зависимость разрядности двоичного кода, которым они могут быть представлены, от частоты.

Рисунок 1.2 – Динамика изменения сигналов физического мира

1.4. Схема согласования сигнала

В идеальных условиях для получения информации в цифровом виде датчика и АЦП было бы достаточно. Однако на практике это не так. Сигнал, снятый с датчика, может иметь амплитуду в несколько милливольт, работа с таким сигналом для аналого-цифрового преобразователя затруднительна. Кроме того, данный сигнал может содержать шумы и лишние гармоники, что может служить причиной разброса выходных данных АЦП.

Можно, конечно, переложить обработку сигнала на плечи цифрового процессора, усиление и фильтрацию сигнала реализовать программно, однако такой подход выльется в снижение производительности процессора.

Более эффективным решением является введение аналоговых согласующих цепей усиления и фильтрации сигнала. Однако неверно спроектированные цепи могут стать дополнительными источниками шумов.

1.5. Обработчик цифрового сигнала

Проделав долгий путь, претерпев ряд преобразований, информация об измеряемой физической величине попадает на вход обработчика цифрового сигнала. В качестве него могут выступать микроконтроллеры, микропроцессорные системы, персональные компьютеры или специализированные ЭВМ, в зависимости от сложности ССД.

Данный функциональный блок может выполнять широкий спектр задач, таких как:

– преобразование полученной информации в вид, удобный для отображения на индикаторах и дисплеях;

– цифровая обработка сигнала, усиление, фильтрация с применением БИХ, КИХ фильтров, преобразованием Фурье;

– хранение данных во внутренней или внешней памяти;

– передача данных по тому или иному интерфейсу.

Выводы

Сбор данных представляет собой сложный процесс преобразования измеряемой величины в форму, удобную для обработки. Каждое преобразование входного сигнала, однако, может вносить дополнительные искажения (рисунок 1.3); поэтому задача проектирования системы сбора данных включает в себя подзадачи проектирования ее составных частей. Одним из важнейших звеньев ССД является блок аналого-цифрового преобразования, выполняющий функцию преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму. Проблема выбора АЦП далее будет рассмотрена подробнее.

Рисунок 1.3 – Искажения, вносимые в сигнал

2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

2.1. Алгоритм аналого-цифрового преобразования

Алгоритм аналого-цифрового преобразования включает в себя следующие этапы:

– выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые дискретные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала по времени;

– округление полученной в некоторые моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины до некоторых известных величин, т.е. квантование сигнала по уровню;

– замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами, т.е. кодирование сигнала.

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Здесь задана аналоговая последовательность U(
t)
. Для получения ее дискретного эквивалента, необходимо выбрать отдельные ее значения через промежутки времени ТД
.
Величина ТД
называется периодом дискретизации
, соответственно процесс замены исходной аналоговой функции U(t)
дискретной функцией U(
nTД
)
– дискретизацией
.

Полученная функция по-прежнему носит аналоговый характер, так как может принимать бесконечное число различных значений.

Операция квантования по уровню дискретной функции U(
nTД
)
заключается в отображении бесконечного множества ее значений на некоторое конечное множество значений U*
n
, называемых уровнями квантования.
Для выполнения данной операции весь динамический диапазон изменения дискретной функции U(
nTД
)
разбивают на некоторое заданное число уровней N
и производят округление каждой величины U(nTД)
до ближайшего уровня U*
n
.
Разница между двумя соседними уровнями называется шагом квантования
h.

Для выполнения последнего этапа преобразования необходимо выбрать код, который способен отражать не менее (
N+1)
-го значений и каждому дискретному значению U*
n

сопоставить некоторый код.

Анализируя данный алгоритм, можно заметить, что процесс преобразования сопряжен с потерей части информации об исходном сигнале при переходе от непрерывной функции к дискретной. Кроме того, процесс квантования сигнала вносит в преобразование некоторую погрешность εi
, которая называется шумом квантования.
Для устранения данных погрешностей необходимо повышать частоту дискретизации и разрядность АЦП.

2.2. Характеристики АЦП

Микросхемы АЦП, как и любые другие, характеризуются широким спектром различных параметров, начиная от диапазона рабочих температур и заканчивая размером микросхемы. Данные характеристики указываются в документации на конкретную микросхему и должны быть учтены при проектировании реальных устройств.

В каталогах микросхем производители обычно указывают следующие параметры:

– разрядность (4 – 31 бит);

– число выборок в секунду (до 3,6GSPS);

– число каналов (1 – 64) – число аналоговых входов;

– поддерживаемый интерфейс (SPI, I2
C, LVDS);

– напряжение питания (униполярное/биполярное) и опорное напряжение (от нескольких до пары десятков вольт);

– диапазон входного сигнала;

– потребляемая мощность (до нескольких десятых долей микроватт);

– цена (самые дешевые АЦП могут стоить меньше доллара; цена микросхем, применяемых в военной и космической отраслях, может достигать нескольких тысяч долларов).

В таблице 2.1 приведены несколько примеров микросхем АЦП, предлагаемых различными производителями.

2.3. Архитектура АЦП

Аналого-цифровые преобразователи подразделяются на два больших класса [6]:

– работающие на частоте Найквиста (
Nyquist-
rate)
;

– с передискретизацией (
oversampling)
.

Различия между данными подходами показаны на рисунке 2.2. Здесь спектр частот входного сигнала ограничен частотой fB
. Согласно теореме Найквиста-Шеннона (теореме Котельникова), для его восстановления с наперед заданной погрешностью, необходимо дискретизировать его с частотой fs
> 2·
fB
(fs = 2·fB
называется частотой Найквиста). Как видно из рисунка 2.2, с ростом частоты дискретизации увеличивается защита от наложения спектров, что снижает шум квантования. Частота передискретизации может в несколько десятков раз превышать частоту Найквиста.

Рисунок 2.2 – Сравнение подходов к выбору частоты дискретизации

Таким образом, в АЦП первого класса алгоритм преобразования должен быть выполнен за один или несколько периодов дискретизации (цикл), в зависимости от спектра частот входного сигнала; АЦП второго класса позволяют затратить на преобразование несколько десятков циклов. Отсюда вытекает основное отличие между преобразователями: АЦП с передискретизацией обладают большей разрядностью, по сравнению с АЦП, работающими на частоте Найквиста; однако их быстродействие меньше. Типовые архитектуры АЦП рассмотрены ниже.

Таблица 2.1 – Параметры микросхем АЦП различных производителей [7 – 10]

Производитель	Наименование	Архитектура	Разрядность, бит	Число выборок, SPS	Число каналов	Поддерж. интерфейс	Цена ,
Analog Devices	AD9484	Конвейерная	8	1G	1	Par	$36
	AD7995	Послед. прибл.	10	140K	4	I2 C/2-Wire	$1,8
	AD6672	Конвейерная	11	250M	1	LVDS	$44,2
	AD10465	Конвейерная	14	65M	2	Par	$754,46
	AD7856	Послед. прибл.	14	285K	8	SPI	$10,2
	AD7714	Сигма-дельта	24	1K	5	SPI	$8,38
Texas Instruments	TLC5510A	Флеш	8	20M	1	Par CMOS	$2,35
	ADS7961	Послед. прибл.	8	1M	16	SPI	$2,25
	THS1007	Конвейерная	10	6M	4	Par CMOS	$4,6
	ADC12D1800		12	3,6G	2		$100
	ADS5400-SP	Конвейерная	12	1G	1	LVDS, SPI	$9500,24
	ADS8284	Послед. прибл.	18	1M	ign:center;">4	Par CMOS	$22
	DDC264	Сигма-дельта	20	6,25K	64		$99
	ADS1282	Сигма-дельта	31	4K	2	SPI	$34,5
MAXIM	MAX11642	Послед. прибл.	8	300K	16	SPI	$2,2
	MAX11101	Послед. прибл.	14	200K	1	Micro wire, QSPI, SPI	$3,55
	MAX1401	Сигма-дельта	18	4,8K	5	SPI	$14
	MAX11202	Сигма-дельта	24	0,12K	1	SPI	$2,45
Linear Technology	LTC2288	Конвейерная	10	65M	2	Par CMOS
	LTC2153-12	Конвейерная	12	310M	1	LVDS
	LTC2497	Сигма-дельта	16		16	I2 С
	LTC2446	Сигма-дельта	24		8	PIS

2.3.1. Архитектура параллельного преобразования

Данная архитектура, называемая также full-flash, относится к преобразователям первого класса (рисунок 2.3).

N-разрядный АЦП такого типа содержит (2N
-1) компараторов и столько же источников опорного напряжения. На очередном цикле входное напряжение сохраняется схемой выборки и хранения, после чего происходит его сравнение со всеми опорными напряжениями. В результате с выходов компараторов снимается 2N
-1 – разрядный код, который преобразуется дешифратором в выходной код.

Рисунок 2.3 – Структурная схема АЦП параллельного преобразования

Реализация алгоритма преобразования в таком АЦП осуществляется за один цикл, поэтому такая архитектура позволяет достичь максимального быстродействия. Однако с увеличением разрядности число элементов схемы и, соответственно, площадь кристалла растут в геометрической прогрессии. Поэтому разрядность АЦП параллельного преобразования редко превышает восемь бит.

2.3.2. Конвейерная архитектура

Данная архитектура позволяет повысить разрядность full flash АЦП путем реализации алгоритма преобразования в несколько этапов (рисунок 2.4). Здесь входное напряжение сохраняется в схеме выборки и хранения, после чего M-битный АЦП производит грубую оценку входного сигнала (получение старших M битов). ЦАП затем преобразует цифровой код в аналоговый сигнал, который вычитается из входного сигнала. Остаток после усиления преобразуется в АЦП для получения младших N битов.

Рисунок 2.4 – Структурная схема конвейерного АЦП

При использовании восьмиразрядных АЦП параллельного преобразования, такой подход позволяет получить 16-битный АЦП. При этом число компараторов составляет 510. Реализация 16-битного АЦП параллельного преобразования потребовала бы 65536 компаратора. В общем случае можно использовать K АЦП, включенных в последовательность (рисунок 2.5). Время, затраченное на алгоритм преобразования, при этом составляет (K+1) циклов, включая цикл выборки входного напряжения.

Рисунок 2.5 – K-этапная конвейерная архитектура

Бесконечное увеличение разрядности данной архитектуры ограничено сложностями согласования характеристик составных элементов. Каждое преобразование сигнала «аналоговый → цифровой → аналоговый» дает погрешность в вычислении остатка. С увеличением числа этапов, соответственно, растет погрешность.

2.3.3. Архитектура последовательного приближения

Алгоритм последовательного приближения осуществляет аналого-цифровое преобразование за несколько циклов путем использования ранее определенных битов для получения следующего бита цифрового кода (рисунок 2.6). Здесь, после выборки входного напряжения, оно сравнивается с половинным значением динамического диапазона АЦП. Таки образом определяется первый бит выходного кода. В следующем цикле происходит сравнение с четвертью диапазона, получение второго бита и так далее. Алгоритм преобразования для n-разрядного АЦП занимает максимум (n+1) циклов, включая цикл выборки входного напряжения.

Рисунок 2.6 – График последовательного приближения

Структурная схема АЦП последовательного приближения представлена на рисунке 2.7. Достоинствами АЦП данного типа являются простота схемы и низкая потребляемая мощность. Скорость преобразования обратно пропорциональна разрядности АЦП.

Рисунок 2.7 – Структурная схема АЦП последовательного приближения

2.3.4. Интегрирующие АЦП

Преобразование входного сигнала в АЦП данного типа осуществляется в два этапа (рисунок 2.8). На первом этапе происходит заряд интегрирующего конденсатора входным напряжением в течение фиксированного промежутка времени (периода интегрирования). На втором этапе происходит разряд конденсатора заданным током до нулевого напряжения. Длительность разряда при этом пропорциональна величине входного напряжения.

Рисунок 2.8 – Процесс преобразования входного напряжения

в интегрирующем АЦП

АЦП данного типа обладают следующими преимуществами:

– нечувствительность к импульсным помехам;

– нечувствительность к периодическим помехам, если их период в целое число раз меньше периода интегрирования;

– разрядность 14…20 бит;

– ключевая особенность – нечувствительность к изменениям тактовой частоты.

Однако недостатком является низкое время преобразования, порядка 1…1000мс.

2.3.5. Сигма-дельта архитектура

Архитектура сигма-дельта относится к классу АЦП с передискретизацией. Ключевая особенность таких преобразователей состоит в многократной выборке входного сигнала с последующей обработкой. Блок-схема сигма-дельта АЦП представлена на рисунке 2.9.

В схему входят следующие функциональные блоки:

– АЦП на базе сигма-дельта модулятора высокого порядка;

– цифровой фильтр нижних частот;

– дециматор (прореживающий фильтр).

Рисунок 2.9 – Блок-схема сигма-дельта АЦП

Блок АЦП производит оцифровку входного сигнала, а также подавление возникающего шума на низких частотах, за счет вытеснения его в область высоких частот. Выходной сигнал с преобразователя поступает на цифровой фильтр нижних частот, где производится его усреднение. Последним каскадом сигма-дельта преобразователя является фильтр децимации. Его основная функция – понижение скорости передачи выходных данных, чтобы она соответствовала полосе частот входного сигнала. Процесс преобразования частотного спектра сигнала в сигма-дельта АЦП представлен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 – Изменение спектра входного сигнала в процессе преобразования

Эффективный алгоритм подавления шумов позволяет получать сигма-дельта АЦП высокой разрядности. Соответственно, АЦП данного типа обеспечивают минимальную погрешность дискретизации, по сравнению с другими преобразователями. Недостатком архитектуры сигма-дельта является невозможность обработки быстро изменяющихся сигналов.

Выводы

Аналого-цифровые преобразователи обладают рядом характеристик, которые необходимо учитывать при проектировании систем сбора данных. Первое, на что следует обратить внимание при выборе АЦП – скорость изменения входного сигнала и его допустимая погрешность преобразования. Из рассмотренных архитектур наибольшей скоростью преобразования обладают АЦП параллельного преобразования и конвейерного типа; наибольшей разрядностью – сигма-дельта АЦП. Архитектура последовательного приближения занимает промежуточное положение и отличается относительной простотой реализации.

3. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ

ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

При проектировании цепей для измерения аналоговых сигналов, необходимо учитывать множество факторов, чтобы в результате измерения получить достоверные данные. Например, при построении ССД на базе резистивных датчиков, необходимо учитывать изменение сопротивления при изменении физической величины; погрешность измерений, вызванная влиянием цепей передачи сигналов; температурный коэффициент изменения сопротивления; погрешность измерения; влияние помех и т.д.

Ситуация усложняется, когда необходимо построить систему, работающую с различными по скорости изменения и точности представления физическими величинами.

3.1. Измерение напряжения и тока

Преобразование напряжения и тока в цифровой код используется при построении цифровых вольт- и амперметров. Простейшая схема цифрового вольтметра представлена на рисунке 3.1. Здесь измеряемое напряжение при необходимости усиливается и фильтруется, после чего поступает на вход АЦП. Обработку цифрового кода, полученного с выхода АЦП, осуществляет микроконтроллер, который затем выдает необходимую информацию на устройство индикации. В качестве пребразователя может быть использован внутренний АЦП микроконтроллера.

Рисунок 3.1 – Структурная схема цифрового вольтметра

При использовании 8-битного АЦП удобно использовать ИОН с напряжением 2,55В, в этом случае для диапазона входных напряжений (0…2,55В) существенно упрощается обработка цифрового кода. При использовании в качестве устройства индикации семисегментного индикатора, вместо микроконтроллера может быть использована специализированная микросхема.

Для построения цифрового амперметра может быть использована та же схема, что и для вольтметра, с добавлением преобразователя ток → напряжение. Пример такого преобразователя представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Преобразователь ток → напряжение на основе ОУ

Здесь при помощи резистора R в обратной связи операционного усилителя можно настраивать диапазон напряжений на выходе.

3.2. Измерение температуры

Температура в большинстве случаев является медленно изменяющейся физической величиной, поэтому для ее измерения можно выбирать АЦП с низкими частотами дискретизации. Погрешность температуры, однако, может варьироваться в широком диапазоне.

Наиболее распространенными типами датчиков, которые можно использовать в схемах измерения температуры, являются термопара, резистивный температурный датчик (РТД), термистор и интегральный датчик температуры.

На рисунке 3.3 представлена зависимость сопротивления термопары от температуры. Как видно, зависимость является нелинейной. Следовательно, при обработке оцифрованного сигнала с датчика, необходимо использовать таблицу соответствия цифрового кода и реальной температуры.

Рисунок 3.3 – Зависимость сопротивления термопары от температуры

Для подачи сигнала с резистивных датчиков на вход АЦП целесообразно использовать дифференциальный способ включения с использованием моста Уитсона, как показано на рисунке 3.4. Дифференциальное включение обеспечивает подавление синфазных помех, что снижает погрешность измерения.

Выбор АЦП для измерения температуры можно продемонстрировать на примере: при использовании платинового РТД-элемента с сопротивлением 100 Ом при 0 ºС и питающем токе 200 мкА номинальное значение диапазона полной шкалы выходного напряжения (при -200…+600 ºС) составляет 66,2 мВ. С учетом того, что температура является медленно изменяющимся сигналом, наиболее целесообразно использовать в данной схеме сигма-дельта АЦП.

Рисунок 3.4 – Дифференциальное включение датчиков

Принципиальная схема измерения температуры с применением сигма-дельта АЦП показана на рисунке 3.5 [4]. АЦП преобразует слабый сигнал резистивного температурного датчика, включенного по четырехпроводной схеме, в цифровой код. Для питания датчика используется источник тока 200 мкА, расположенный в преобразователе. Для устранения эффекта наложения спектров используются простейшие ФНЧ.

Рисунок 3.5 – Принципиальная схема измерения температуры

Данная схема сочетает высокую точность работы четырехпроводной схемы включения РТД-элемента и возможности сигма-дельта преобразователя. По двум проводам РТД протекает питающий ток, а с двух оставшихся напряжение сигнала термо-элемента поступает на дифференциальные входы сигма-дельта АЦП.

3.3. Измерение освещенности

Для измерения освещенности в качестве датчиков используются фотодиоды. Фотодиоды преобразуют энергию светового потока в слабый ток, пропорционально уровню излучения источника света. Далее полученный ток преобразуется с помощью предварительного усиления в требуемый для дальнейшей обработки уровень напряжения.

Освещенность, в отличие от температуры, может изменяться с достаточно быстрой скоростью, поэтому сигма-дельта АЦП менее эффективны. Принципиальная схема измерения освещенности с применением АЦП последовательного приближения показана на рисунке 3.6 [4]. Световой поток, попадающий на фотодиод, вызывает в нем появление обратного тока, который протекает через резистор обратной связи RF
. Напряжение на аноде фотодиода и неинвертирующем входе усилителя поддерживается на уровне 300 мВ по отношению к потенциалу земли, что помогает избежать искажения выходных сигналов усилителя, близких к потенциалу земли. ФНЧ подавляет высокочастотные составляющие, вносимые в сигнал операционным усилителем, после чего сигнал поступает на вход АЦП последовательного приближения.

Как видно из рисунка, необходимость усиления измеряемого сигнала значительно усложняет схему, требует введения дополнительных аналоговых цепей, которые, в свою очередь, вносят искажения в сигнал, что в конечном итоге увеличивает погршеность получаемых данных.

Для измерения освещенности также можно использовать сигма-дельта АЦП. При этом с одной стороны погрешность измерения повышается из-за невысокого быстродействия АЦП; с другой стороны – снижается, так как используется меньше аналоговых элементов.

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема измерения освещенности

Выводы

При проектировании схемы для измерения той или иной физической величины первичными параметрами для выбора АЦП являются входной диапазон этих величин, скорость их изменения и допустимая погрешность измерения. Использование сигма-дельта АЦП позволяет снизить погрешность за счет высокой разрядности и возможности работы с малыми по величине сигналами. АЦП последовательного приближения позволяют получать меньшую погрешность измерения при работе с быстро изменяющимися сигналами; однако требуют введения в схему дополнительных компонентов, которые являются источниками шумов и искажают измеряемый сигнал.

4. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП В СИСТЕМАХ СБОРА ДАННЫХ

4.1. Многоканальные системы сбора данных

Как правило, системы сбора данных проектируются для получения информации о нескольких физических величинах, которые могут быть, как сконцентрированы в одном месте, так и разнесены в пространстве. Кроме того, ССД могут составлять иерархическую структуру, состоящую из отдельных систем и подсистем.

В простейшем случае организовать сбор данных по нескольким каналам можно путем использования нескольких АЦП в схеме, как показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Многоканальная ССД с несколькими АЦП

При такой организации системы сбор и обработка информации производятся параллельно и независимо; обеспечивается максимальная скорость опроса каждого из каналов. Недостатком являются большие аппаратные затраты.

Другой подход к организации многоканальности – введение аналогового мультиплексора (АМ) в схему, как показано на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Многоканальная ССД с аналоговым мультиплексором

АМ осуществляет коммутацию аналогового сигнала с одного из каналов, в зависимости от логики управления, на вход аналого-цифрового преобразователя. Аппаратные затраты при этом ниже, равно как и скорость опроса каналов.

Существует множество АЦП, в которых многоканальность обеспечивается внутрисхемно. Число аналоговых каналов в таких микросхемах может достигать 64.

4.2. Микросхемы многоканальных АЦП

В качестве примера на рисунке 4.3 представлена структурная схема микросхемы DDC264 фирмы Texas Instruments.

Рисунок 4.3 – Структурная схема АЦП DDC264

Микросхема представляет собой 20-битный 64-канальный АЦП с сигма-дельта архитектурой. На каждом из входов установлен интегратор с двойной коммутацией, обеспечивающий непрерывное накопление сигнала: в течение цикла оцифровки текущей порции сигнала происходит накопление следующей. Настраиваемое время интегрирования может меняться от 160μс до 1с, что позволяет измерять с заданной погрешностью токи порядка μA и fA.

В микросхеме используется внешний источник опорного напряжения (ИОН), величина которого может составлять 2…AVDD + 0.3В; величина AVDD – -0.3…+6В.

Другим примером многоканального АЦП является микросхема MAX1280 фирмы MAXIM, структурная схема которой представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Структурная схема АЦП MAX1280

Микросхема представляет собой 12-битный 8-канальный АЦП с архитектурой последовательного приближения. Коммутация входных каналов с АЦП производится при помощи аналогового мультиплексора, с помощью которого также можно настроить АЦП на работу с дифференциальным входом.

Микросхема содержит внутренний источник опорного напряжения +1,22В с низким уровнем дрейфа и внутренний тактовый генератор.

Выводы

Существует два подхода к организации многоканального аналого-цифрового преобразования: с применением параллельного и последовательного опроса каналов. При реализации того или иного подхода необходимо провести оценку скорости изменения входных сигналов. При последовательном опросе частота сигнала, преобразуемого за один цикл опроса, примерно сопоставима с суммой частот входных сигналов. Соответственно, необходимо выбирать АЦП с таким же быстродействием. При параллельном опросе необходимо предусмотреть организацию хранения и передачи цифровых сигналов, получаемых с выходов отдельных АЦП.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Система_сбора_данных

2. Lan Grout, Digital Systems Design with FPGAs and CPLDs, 2008. – 724 p. – ISBN-13: 978-0-7506-8397-5

3. Котюк А.Ф., Датчики в современных измерениях. – М.: Радио и связь, Горячая линия – Телеком, 2006. – 96с.: ил. – (Массовая радио-библиотека; Вып. 1277).

4. Бонни Бейкер, Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике /Бонни Бейкер; пер. с англ. Ю.С.Магды. – М.: Додэка-XXI. 2010. – 360 с.: ил. – (Серия «Схемотехника»). –Доп. тит. англ. – ISBN 978-5-94120-170-9

5. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И., Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под ред. О.П.Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 768 с.: ил.

6. Franco Maloberti, Data Converters, 2007. – 440 p. – ISBN-13: 978-0-387-32485-2(HB)

7. Материалы официального сайта фирмы Analog Devices http://www.analog.com/

8. Материалы официального сайта фирмы Texas Instruments http://www.ti.com/

9. Материалы официального сайта фирмы MAXIM http://www.maxim-ic.com/

10. Материалы официального сайта фирмы Linear Technology http://www.linear.com/

11. Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. 7-е. М.: Мир, БИНОМ. – 2009. – 704 с., ил.