Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями (стр. 3 из 3)
· абсолютна похибка ðА - найбільше відхилення вихідного коду від розрахункового в кінцевій точці шкали;
· час перетворення tпр - інтервал від моменту початку перетворення до появи на виході сталого коду; часто замість tпр швидкодія АЦП характеризується частотою перетворення:
· діапазон і полярність вхідної напруги, число джерел живлення, струм споживання, можливість спільної роботи з мікропроцесорами.
У АЦП застосовуються такі методи перетворення:
· послідовної лічби (з використанням ЦАП або двотактним інтегруванням);
· порозрядного кодування (послідовного двійкового наближення);
· паралельної дії (зчитування);
· паралельно-послідовні (комбіновані).
Таблиця 2
| Тип мікросхеми | Розрядність, n | Максимальне відхилення, ðЛД % | Час перетворення ТП, мкс | Технологія | Примітка |
| КР572ПВ3 К1107ПВ1 М1107ПВ6 К1108ПВ2 | 8 6 10 12 | ±0,75 ±0,5 ±1,5 ±1 | 7,5 0,1 0,06 0,9 | КМОН Біполярна Біполярна Біполярна | МК, СМ – ФЗ, СМ ФЗ |
Примітка. У табл. 5.2: СМ – сумісність з мікропроцесорами; ФЗ – функціональна закінченість; МК – багатоканальність.
Деякі АЦП є функціонально закінченими, але більшість вимагають додаткових зовнішніх елементів: операційних підсилювачів, джерело опорної напруги, генераторів тактових імпульсів, резисторів і конденсаторів.
Мікросхеми АЦП звичайно мають діапазон зміни вхідної напруги 0-10 В, а деякі АЦП допускають використання двополярного вхідного сигналу. Розрядність АЦП становить 6-12, причому ряд АЦП допускають нарощуванням розрядності.
Швидкодія АЦП визначається, в основному, методом перетворення і елементною базою (ТТЛШ, ЕЗЛ, КМОН). Найбільшу швидкість мають АЦП паралельної дії на базі ЕЗЛ – елементів (tпр ≤ 20 нс). Перетворювачі за рівнями вихідних сигналів узгоджуються ТТЛШ-, ЕЗЛ- і КМОН-мікросхемами. Більшість сучасних АЦП сумісні з мікропроцесорними пристроями. Вихідні ланцюги в таких АЦП мають три стійких стани (лог. 0, лог. 1 і 2).
При порівнянні реальних і віртуальних приладів, крім можливостей, що ними надаються, і режимів роботи, треба також брати до уваги і їх основні характеристики - точність і швидкодія.
Точність віртуального приладу визначається не тільки кількістю цифр після коми, які виводиться на екран управляючою програмою. До речі, ці цифри можуть бути помилковими, якщо не вжиті деякі заходи метрологічного характеру. Одним з основних критеріїв є розрядність аналого-цифрового перетворювача. Цей параметр визначає ступінь дозволу при вимірюваннях, тобто ту якнайменшу різницю між двома сусідніми значеннями, яку «відчуває» вимірювальний прилад. Наприклад, восьмирозрядний АЦП здатний формувати 28, або 256 різних значень вихідного сигналу (коду). Якщо його повна шкала складає 5 В, він зможе розрізнити два рівні вхідної напруги, відмінні приблизно на 20 мВ; це відповідає чутливості хорошого стрілочного гальванометра класу 0,4 або більшості осцилографів. Простий розрахунок показує, що вхідна напруга 4 В може бути виміряна з точністю близько 0.5%, а напруга 100 мВ - лише з точністю близько 20%.
Тут виявляється відоме емпіричне правило «останній третині шкали», яке, ймовірно, відоме всім користувачам аналогових мультиметрів і залишається таким же актуальним в цифрову епоху.
12-розрядний АЦП З можливістю формування на виході 212 - 4096 різних значень зможе зміряти напругу 4 В з точністю близько 0,03%, а 100 мВ - з точністю близько 1,2%. Зрозуміло, ці розрахунки вірні за умови, що всі електронні компоненти в АЦП мають допуски, відповідні вказаним величинам. Не варто, наприклад, розраховувати на середню точність 1% (що було б непогано) у вимірювальних ланцюгах, зібраних на звичних резисторах з допуском 5%.
4. Нове покоління АЦП
Головна особливість таких АЦП полягає в організації управління по одно- або двох-дротяній послідовній шині (SPI, Microwire, I2С і т.п.), а не через паралельний інтерфейс, що вимагає наявності одного виводу мікросхеми на кожен розряд шини управління. Звичайно, такий спосіб передачі бітів даних один за іншим по одному дроту обмежує швидкість обміну інформацією, хоча і тут можна досягти швидкості передачі даних порядку 1 Мбіт/с. На практиці, з урахуванням властивостей і можливостей схем дискретизації і квантування, не варто розраховувати на подолання бар'єру в декілька десятків тисяч вимірювань в секунду, що в середньому відповідає частоті дискретизації 20 кГц. Таким чином, цих електронних компонентів не можна порівняти з надшвидкісними АЦП типа «flash» або «VIDEO», але вони проте відносяться до класу швидкодіючих АЦП. Тому при розрядності від 3 до 12 біт вони чудово підходять для вирішення більшості задач у області створення віртуальних вимірювальних приладів.
На рис.11 приведена структурна схема стандартних послідовних АЦП. виконаних в корпусах з вісьма виводами. Логічний контролер з вбудованим тактовим генератором управляє роботою схеми перетворення функціонуючої за принципом послідовного наближення. Цей принцип полягає в поступовому покроковому накопиченні в проміжному регістрі даних двійкового кодового слова, відповідного співвідношенню вхідної аналогової напруги (різниці між рівнями напруги на диференціальних входах АNALOG +IN і ANALOG-IN) і опорної напруги (різниці між рівнями напруги на диференціальних входах REF+ і REF-).
Цикл перетворення починається з фіксації рівня вхідної аналогової напруги в пристрої вибірки-зберігання, а потім перетворювач починає формувати вміст регістра. Процес накопичення кодового слава займає якийсь час, зване часом перетворення.
На практиці як мінімум один ANALOG -IN або REF технологічно сполучений із загальним проводом (GND).
Рис. 11. Структурна схема послідовного АЦП
Після закінчення процесу перетворення селектор даних, розташований перед вихідним каскадом, починає послідовно вибирати біти інформації, що містяться в регістрі даних, і потім також послідовно подає їх на вихід DАТА OUT. Частота вибірки і формування вихідних імпульсів визначається зовнішнім тактовим сигналом I/O CLOCK.
Для правильного функціонування АЦП необхідна наявність деякої зовнішньої управляючої системи, яка повинна формувати послідовності, синхронізуючих сигналів.
В більшості випадків аналого-цифрове перетворення починається в момент подачі відповідного сигналу на вивід CS (вибір кристала). Саме по собі перетворення виконується за декілька десятків мікросекунд. Після цього необхідно подати потрібну кількість тактових імпульсів на вивід I/O СLOСК, щоб видати результат перетворення через вивід DАТА OUТ.
АЦП послідовного наближення
8 - розрядний послідовний АЦП, який використовуватиметься в прикладах, був вибраний, з одного боку, зважаючи на його широке розповсюдження і цілком прийнятну ціну, а з другого боку, з огляду на те, що існують 10- і 12- розрядні моделі, повністю сумісні з ним по розташуванню виводів. При нагоді це може спростити проблему модернізації друкованої плати.
Рис. 12. Розміщення виводів аналого-цифрового перетворювача TLC 549
Такий АЦП має тільки один аналоговий вхід (ANALOG IN) два входи для підключення опорної напруги (REF+ і REF-). Другим аналоговим входом можна рахувати вивід GND - загальний. Якщо при цьому вивід REF-теж підключений до загального дроту, то на виході АЦП формуватиметься байт вихідного коду, рівний 00000000 при нульовій напрузі на аналоговому вході, і 11111111 - при вхідній напрузі, рівній опорному, яке подасться на вихід REF+.
Прямий конкурент АЦП TLC 1549 - аналого-цифровий перетворювач МАХIM - 1243 виробництва компанії МАХІМ - має абсолютно інше розташування виводів. Крім своїх відмінних характеристик, він цікавий тим, що належить до сімейства повністю взаємозамінних АЦП, яке включає 12-розрядну версію МАХ 1241, а також тим, що за допомогою простої програми його можна легко перемкнути в 8-розрядний режим.
Серед моделей, пропонованих у вигляді зовнішніх інтерфейсів, мініатюрні аналого-цифрові перетворювачі ADC 10 і ADC 12 компанії PICO Technology користуються великою популярністю. Причиною тому служить виняткова простота їх застосування і доступна ціна. ADC 10 і ADC 12 представляють чудову можливість додавання одного або декількох аналогових входів до будь-якого ПК.
Концепція, розроблена британською компанією PICO Technology, досить оригінальна: АЦП ADC 10 і ADC 12 виконані у вигляді простого роз'єму BD25 (рис. 12). Підключення аналогового сигналу здійснюється за допомогою кабелю через роз’єм типа ВNС (СР50-73). Достатньо вставити один з цих приладів в роз'єм паралельного порту (LРТ1 або LРТ2), щоб перетворити останній в аналоговий вхід з діапазоном напруг від 0 до 5 В. Треба лише запустити програму PICOSСОРЕ, що поставляється разом з АЦП, щоб одразу ж одержати цифровий вольтметр, осцилограф і аналізатор спектру.
Література
1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. – М.: Мир, 1989. – 196 с.
2. Арутюнов О.С. Датчики состава и свойств вещества. – М.-Л.: Энергия, 1966. – 160 с.