Многоканальная МП система регулирования температуры (стр. 2 из 8)

,

где

- сопротивления терморезистора при температуре Т, ºС; - сопротивление терморезистора при 0 ºС; - температурный коэффициент меди, 1/ºС; - температура свободных концов термопары, ºС.

Медные термометры сопротивления имеют наиболее распространенные градуировки 50М и 100М. Числа 50 и 100 обозначают сопротивления чувствительного элемента при 0 ºС (50 Ом и 100 Ом), а буква М обозначает материал обмотки терморезистора – медь. Выберем градуировку 100М. Для нее зависимость сопротивления терморезистора от температуры свободных концов термопары:

.

1.3 Обзор АЦП

АЦП являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

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.

Классификация АЦП по методам преобразования показана на рис.1.

Рис.1. Классификация АЦП по методам преобразования

1. Параллельные АЦП осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного напряжения. По параллельному методу входное напряжение одновременно сравнивают с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Недостатком этой схемы является высокая сложность, а, следовательно, высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность.

2. Последовательно – параллельный АЦП является 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. Такие АЦП являются преобразователями мгновенных значений напряжения, и входной сигнал за время преобразования существенно не изменяется.

А) В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве и во времени. Такой АЦП работает в три такта. В первом такте осуществляется грубое квантование входного сигнала, и результат этого квантования поступает на выход в качестве старших разрядов. Во втором такте эти разряды с помощью ЦАП преобразуются в напряжение, которое сравнивается с входным, и разность от этого сравнения поступает на вход второго АЦП. В третьем такте осуществляется преобразование этой разности в четыре младших разряда выходного кода. Очевидно, что быстродействие такого АЦП в три раза меньше, чем аналогичного параллельного, однако для его построения требуется и меньшее (в несколько раз) число компараторов. Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению. Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании данного способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки и хранения (УВХ) до тех пор, пока не будет получено все число.

Б) В многотактных последовательно – параллельных АЦП процесс преобразования разделен во времени. Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить УВХ. Преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения. Реагирует на мгновенное значение напряжения.

В) Конвейерные АЦП. Применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала можно повысить быстродействие многоступенчатого АЦП. В обыкновенном двухступенчатом АЦП 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. Роль аналогового элемента задержки выполняет УВХ, а цифрового – четыре D-триггера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один период тактового сигнала CLK. Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту дискретизации многоступенчатого АЦП. Конвейерную архитектуру имеет большое количество выпускаемых в настоящее время многоступенчатых АЦП. При выборе конвейерного АЦП следует иметь в виду, что многие из них не допускают работу с низкой частотой дискретизации. Это вызвано тем, что внутренние УВХ имеют довольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования и, как следствие, к ошибкам преобразования. Конвейерные АЦП потребляют довольно маленькую мощность.

3) Последовательные АЦП.

А) АЦП последовательного счета. Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичным приближением и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи с ЦАП. 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 V_FB. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с 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. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_CLK равно

t_MAX=(2^N–1)/f_CLK.

АЦП данного типа без УВХ пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более, чем на значение кванта преобразования. Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования. В настоящее время такие АЦП не изготавливаются в виде интегральных микросхем.

Б) АЦП последовательного приближения (АЦП с поразрядным уравновешиванием) являются 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 ее возможного максимального значения. 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 тоже время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте дискретизации до 200 кГц. Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления t_C ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 МЗР, времени переключения компаратора t_K и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_З. Сумма t_K+t_З является величиной постоянной, а t_C уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации f_CLK возможно уменьшение времени преобразования на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер. При работе без УВХ апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути, зависит от входного сигнала, т. е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования данного АЦП между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИС АЦП последовательного приближения имеют встроенные УВХ или, чаще, устройства слежения и хранения (track-and-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения и хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала. Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости разрешающей способности между последовательно – параллельными и интегрирующими АЦП и находят широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов. Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Действительно, выборка мгновенного значения входного напряжения обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке последовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время и вычислительные ресурсы.