Аналого-цифровой преобразователь с самоконтролем и реконфигурацией подсистемы контроля корабельного ЗРК

 

- 56 -

Аннотация

 

Представленный  дипломный проект посвящен разработке аналогово-цифрового преобразователя с самоконтролем и реконфигурацией в составе подсистемы контроля корабельного ЗРК.

В пояснительной  записке приводится описание аналогово-цифрового  преобразователя с самоконтролем  и реконфигурацией, назначение и  принцип работы устройства, расчеты  мощности, надежности, погрешностей и  его  компьютерное моделирование. Разработана  электрическая принципиальная схема  устройства.

В организационно-экономической  части проекта произведено технико-экономическое  обоснование разработки, приведен календарный  график длительности работ, по которому определено время изготовления изделия. Рассчитана цена разработки такого АЦП.

В разделе "Безопасность и Экологичность проекта" были изложены требования к обеспечению комфортных условий работы персонала на участке производства устройства (кондиционирование воздуха и освещенность). Был проведен выбор системы вентиляции и расчет оптимального освещения производственного помещения.

В графической  части дипломного проекта приложены  выполненные чертежи и плакаты.

 

Объем пояснительной  записки: 109 листов.

Объем графической  части: 6 листов (А1)

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	8
1 Технические требования	9
2 Подсистема автоматизированного  контроля корабельного ЗРК	10
3 Классификация АЦП	13
3.1 Параллельные АЦП	14
3.2 Последовательно-параллельные  АЦП	15
3.3 Последовательные АЦП	19
4  Параметры АЦП	26
4.1 Статистические параметры	26
4.2 Динамические параметры	29
5 Анализ прототипов	31
5.1 Зарубежные аналоги	31
5.2 Отечественные аналоги	33
6 Разработка схемы электрической  принципиальной	34
6.1 Общие сведения о  микросхемах	34
6.2 Обоснование выбора  элементной базы	39
6.2.1 Выбор и описание  матрицы сопротивлений	39
6.2.2 Выбор и описание  источника опорного напряжения	40
6.2.3 Выбор и описание  ключей	44
6.2.4 Выбор компаратора	49
6.3 Описание генератора  импульсов	56
6.4 Описание регистра  последовательного приближения	57
7 Принципы работы схемы	58
8 Расчет надежности	60
9 Расчет погрешности	62
10 Моделирование погрешностей  в АЦП	64
10.1 Программирование в  Lab VIEW	64
10.2 Расчет погрешности  с помощью  Lab VIEW 10.2.1 Вычисление мультипликативной  погрешности	65
	65
10.2.2 Вычисление аддитивной  погрешности	67
11 Интерфейс АЦП	70
12 Организационно-экономическая  часть	71
12.1 Введение	71
12.2 Наименование и назначение изделия	72
12.3 Описание организации работ	73
12.4 Наиболее важные этапы планирования для данного изделия	73
12.4.1 Распространение на рынке	73
12.4.2 Конкуренция	73
12.4.3 Потребительский рынок	74
12.4.4 Цена на изделия	74
12.4.5 Рекламная компания	74
12.4.6 Маркетинг	75
12.4.7 Организация послепродажного обслуживания	75
12.4.8 План производства	75
12.5 Источник финансирования разработки	75
12.6 Планирование работ	78
12.7 Этапы разработки	78
12.8 Составление сметы затрат на  разработку	82
12.8.1 Материалы, покупные изделия,  полуфабрикаты	83
12.8.2 Расходы по статье: спецоборудование	84
12.8.3 Расчет основной заработной платы  разработчиков	85
12.8.4 Расчет дополнительной заработной  платы разработчиков	85
12.8.5 Отчисление в фонды	86
12.8.6 Расчет по статье: командировки	86
12.8.7 Контрагентские расходы	86
12.8.8 Накладные расходы	87
12.8.9 Прочие расходы 12.9 Экономическая целесообразность  проекта	87
	91
12.10 Вывод	92
13 Экологичность и безопасность проекта	94
13.1 Кондиционирование воздуха	95
13.1.1 Система кондиционирования  воздуха в научно-исследовательской  лаборатории	96
13.1.2 Микроклимат научно-исследовательской  лаборатории	96
13.1.3 Основные отличия прецизионных  систем кондиционирования от комфортных	98
13.1.4 Выбор системы кондиционирования	99
13.1.5 Принцип работы прецизионных  кондиционеров	99
13.1.6 Правильно выбранное место установки	101
13.2 Освещенность	102
14 Заключение	107
15 Список использованной литературы	108
ПРИЛОЖЕНИЯ
1 Функциональная схема АЦП
2 Структурная схема аппаратуры  контроля
3 Принципиальная схема АЦП
4 Моделирование мультипликативной  погрешности
5 Моделирование аддитивной погрешности
6 Календарный график  длительности работ

 

 

 

 

 

Введение

 

Широкое распространение в радиоэлектронных системах при цифровой обработке сигналов находят многоканальные средства сбора и обработки информации(МССОАИ), использующие отдельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в каждом канале. Однако в таких устройствах могут возникать отказы, приводящие к недопустимому искажению информации, что существенно снижает эффективность таких систем. В последнее время стали выпускаться разнообразные интеллектуальные АЦП, позволяющие трансформировать алгоритм работы в процессе его выполнения. Как правило, они представляют собой измерительную систему с аппаратурно-программным контролем и коррекцией погрешностей. АЦП содержит большой объем дополнительной аппаратурной части: множество специализированных регистров, сигнальный процессор, несколько ПЗУ, вспомогательный ЦАП, датчик температуры и.т.д. Однако обеспечение требуемой достоверности самоконтроля приводит к снижению производительности при вычислениях истинного выходного кода, а также требуется  дополнительная память для хранения контролирующих программ и констант. Поэтому быстродействие такого АЦП невелико, а аппаратурная часть контроля и коррекции погрешностей превышает объём аппаратуры основной части АЦП. Для систем реального времени необходимы более простые, достоверные и быстродействующие методы самоконтроля АЦП. Поэтому актуальным является создание отказоустойчивого АЦП с самоконтролем, позволяющего обнаруживать случайные погрешности с последующей реконфигурацией схемы и восстановлением работоспособности за весьма малый промежуток времени.

В связи с этим настоящая дипломная  работа посвящена разработке аналого-цифрового преобразователя с самоконтролем и реконфигурацией в составе подсистемы контроля корабельного ЗРК.

 

1 Технические  требования

 

Количество  контролируемых параметров – 8

Тип сигнала  – напряжение постоянного тока

Погрешность преобразования – 0,025 %

Частота преобразования не менее 10 кГц (100 мкс)

Интерфейс последовательный; скорость передачи данных 210 кбит/с

Длина от АЦП до потребителя – 10 м

Наработка на отказ – 500 ч

Вероятность безотказной работы р=0,99

Температура окружающей среды 10…30°С

Срок  службы – 10 лет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Подсистема автоматизированного контроля корабельного ЗРК

 

Известны следующие варианты построения многоканальных средств сбора и обработки аналоговой информации. В первом варианте структуры МССОАИ, представленном на рисунке 2.1, используется единственный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого подключается к датчикам (Д) аналоговой информации через аналоговый коммутатор (АК). Во втором варианте структуры МССОАИ, представленном на рисунке 2.2, в каждом канале имеется отдельный АЦП.  Сравнение структур первого и второго вариантов МССОАИ показывает, что первая структура более экономична, так как АК требует меньше затрат, чем несколько АЦП. Однако при использовании МССОАИ на основе первого варианта с последующей обработкой цифровых сигналов на микроЭВМ может возникнуть погрешность, обусловленная неодновременной выборкой значений входных сигналов разных каналов и неодинаковым их временем установления из-за различных сопротивления датчиков и линий связи. Кроме того, имеются в этом случае трудности по обеспечению требуемой частоты дискретизации АЦП, зависящей от числа используемых каналов. При этом в некоторых применениях МССОАИ использование серийных микросхем АК не позволяет получить требуемую точность и быстродействие МССОАИ.

 

 

Рисунок 2.1 Первый вариант структуры МССОАИ

 

 

Рисунок 2.2 Второй вариант структуры МССОАИ

 

Если требуется высокая  точность и быстродействие МССОАИ и  если временной сдвиг между отдельными канальными сигналами в процессе измерений недопустим, то необходимо использовать отдельный АЦП в  каждом канале. В таком случае запуск всех АЦП осуществляется одним и  тем же тактовым импульсом, а временной  сдвиг между каналами будет определяться лишь разбросом временных параметров отдельных АЦП. Однако в таких АЦП могут возникать как внезапные, так и постепенные отказы, приводящие к недопустимому искажению информации, что существенно снижает эффективность многоканальных АЦП. Поэтому возникает необходимость в создании многоканальных отказоустойчивых АЦП.

Как известно, алгоритм функционирования отказоустойчивого АЦП состоит из трех характерных фрагментов. Первый отражает его работу по прямому назначению, второй и третий описывает шаги, предпринимаемые после обнаружения сбоя или отказа. Эти шаги состоят в поиске дефекта, реконфигурации и восстановления АЦП. При этом при построении отказоустойчивых АЦП возникают трудности выбора метода отказоустойчивости.

Выбираем второй вариант структуры, т.е. МССОАИ, использующие отдельный  аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в каждом канале.

Данный АЦП входит в состав подсистемы автоматизированного контроля корабельного ЗРК (изделие ЗКР-48 ЛИ1. 400. 023), предназначенной специализированный вычислительный комплекс, предназначенной для выполнения следующих задач:

-преобразования аналоговых сигналов  в цифровые;

-визуальная индикация готовности  к дистанционному включению и  включения входящих в комплекс  приборов, устройств подсистем;

-непрерывный контроль полного  включения и исправности приборов, устройств, подсистем в процессе  реальной работы с выводом  текстовых сообщений на видеомонитор  и (или) принтер;

-сквозная проверка готовности  комплекса к реальным работам последовательно в трех режимах:

а) автоматического функционального  контроля,

б) тренировки операторов TP,

г) реальной работы БР;

-с выводом результатов проверки на видеомонитор и принтер;

-вывод на видеомонитор  в процессе реальной работы  информации о причинах запретов  на работу и рекомендаций оператору;

-вывод на видеомонитор  мнемонической информации о наличии  и расходе изделий в процессе реальной работы;

-запись на магнитный накопитель информации ВСИ для длительного хранения и последующего вывода ее при анализе реальной работы;

 -оперативный вывод информации ВСИ в графической и/или табличной формах на видеомонитор и принтер при анализе реальных работ;

-вывод на видеомонитор и принтер  экспресс-протоколов реальных работ;

-идентификация команд управления: проверка наличия команд в  эфире при анализе реальных  работ.

 

 

 

 

3 Основные сведения об аналого-цифровых преобразователях

 

3.1 Классификация АЦП

 

В настоящее  время известно большое число  методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рисунке 3.1 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

 

 

Рисунок 3.1 Классификация АЦП

 

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени  разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

 

3.1.1 Параллельные АЦП

 

АЦП этого  типа осуществляют квантование сигнала  одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рисунке 3.2 показана реализация параллельного метода

АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

 

Рисунок 3.2 Схема параллельного АЦП

 

С помощью  трех двоичных разрядов можно представить  восемь различных чисел, включая  нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих  опорных напряжений образуются с  помощью резистивного делителя.

Если  приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона  от ⁵/₂h, до ⁷/₂h, где h=U_оп/7 – квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым

 

3.1.2 Последовательно-параллельные АЦП

 

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между  стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности  меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные.

 

а) Многоступенчатые АЦП

В многоступенчатом АЦП  процесс преобразования входного сигнала  разделен в пространстве. В качестве примера на рисунке 3.3 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

Рисунок 3.3 Структурная  схема двухступенчатого АЦП

 

Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.

Грубо приближенная и точная величины должны соответствовать одному и тому же входному напряжению U_вх(t_j). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.

 

 

б) Многотактные последовательно-параллельные АЦП

Рассмотрим  пример 8-разрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типу многотактных, смотрите рисунок 3.4. Здесь процесс преобразования разделен во времени.

 

Рисунок 3.4 Структурная схема двухтактного АЦП

 

Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного  АЦП, квант h которого определяется величиной опорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен 2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h₁=0,16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h₂=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова.

Очевидно, что используемые в этой схеме 4-разрядные  АЦП и ЦАП должны обладать 8-разрядной  точностью, в противном случае возможен пропуск кодов, т.е. при монотонном нарастании входного напряжения выходной код АЦП не будет принимать  некоторые значения из своей шкалы. Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения.

Быстродействие  рассмотренного многотактного АЦП определяется полным временем преобразования 4-разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП с погрешностью, не превышающей 0,2...0,3 кванта 8-разрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входит в общее время преобразования дважды. В результате преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше. Однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения.

 

в) Конвейерные АЦП

Быстродействие  многоступенчатого АЦП можно  повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП, смотрите рисунок 3.5 вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП.

Рисунок 3.5 Структурная схема конвейерного АЦП

 

Роль  аналогового элемента задержки выполняет  устройство выборки-хранения, а цифрового  – четыре D-триггера.

Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохождения сигнала, соответствующая обычному многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, не имеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования.

 

3.1.3 Последовательные АЦП

 

а) АЦП последовательного счета

Этот преобразователь  является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями  и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП, смотрите рисунок 3.6. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи с ЦАП.

Рисунок 3.6 Структурная схема АЦП последовательного  счета

 

Работа  преобразователя начинается с прихода  импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его  преобразование в напряжение обратной связи U_ос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого  типа является переменным и определяется входным напряжением.

Таким образом, особенностью АЦП последовательного  счета является небольшая частота  дискретизации. Достоинством АЦП данного  класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

б) АЦП последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом  последовательных АЦП.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с ¹/₂, ¹/₄, ¹/₈ и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой.

 

Рисунок 3.7 Структурная схема и временная  диаграмма АЦП последовательного  приближения

Рассмотрим  принципы построения и работы АЦП  последовательного приближения  на примере классической структуры (см. рисунок 3.7, а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

После подачи команды "Пуск" с приходом первого  тактового импульса РПП принудительно  задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 1000₂=8₁₀). Благодаря этому напряжение U_ос на выходе ЦАП (рисунок 3.7, б):

 

U_ос=2³h                                                          (3.1)

 

где h – квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0.

В этом последнем  случае схема управления должна переключить  старший разряд d₃ обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток, таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рисунка 3.7 б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

Быстродействие  АЦП данного типа определяется суммой времени установления t_уст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора t_к и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_з. Сумма t_к + t_з является величиной постоянной, а t_уст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации f_такт возможно уменьшение времени преобразования t_пр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

Данный  класс АЦП находит широкое  применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

 

в) Интегрирующие АЦП

Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временнoм интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.

1. АЦП многотактного интегрирования

Упрощенная  схема АЦП, работающего в два  основных такта (АЦП двухтактного интегрирования), приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 Упрощенная схема АЦП двухтактного интегрирования

 

Преобразование  проходит стадию интегрирования и стадию счета. В начале первой стадии ключ S₁ замкнут, а ключ S₂ разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение U_вх.

После окончания  стадии интегрирования ключ S₁ размыкается, а ключ S₂ замыкается и опорное напряжение U_оп поступает на вход интегратора. При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению.

Стадия  счета заканчивается, когда выходное напряжение интегратора переходит  через нуль. При этом компаратор К переключается и счет останавливается. Этот АЦП может быть выполнен многотактным.

За счет увеличения помехоустойчивости быстродействие интегрирующих АЦП является низким.

 

2. Сигма-дельта АЦП

АЦП многотактного интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен быть снабжен довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и усиливает влияние помех.

Эти недостатки во многом устранены в конструкции  сигма-дельта АЦП. Своим названием  эти преобразователи обязаны  наличием в них двух блоков: сумматора  и интегратора. Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов измерения на большом интервале времени.

Рисунок 3.9 Структурная схема сигма-дельта модулятора

 

Основные  узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор  и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка  приведена на рисунке 3.9. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала U_вх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.

 

В соответствии с требованием технического задания  быстродействие разрабатываемого АЦП  должно быть не менее 100мкс, а также  учитывая, что  класс АЦП последовательного приближения занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП выбираем метод поразрядеого уравновешивания.

 

 

 

 

4 Параметры аналого-цифровых преобразователей

 

При последовательном возрастании значений входного аналогового  сигнала U_вх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП U_пш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию.

 

Рисунок 4.1 Статистическая характеристика преобразования АЦП

 

Такую зависимость  по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1, см. рисунок 4.1, которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

 

4.1 Статические параметры

 

Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности.   

Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП U_вх при изменении D_j на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=U_пш/(2^N-1), где U_пш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.