Существует множество способов для преобразования аналогового сигнала — электрического напряжения или тока, изменяющегося плавно и непрерывно — в поток цифровых данных, представляющий собой дискретную кодированную последовательность импульсов. На практике чаще всего используется аналого-цифровое преобразование с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

В этом случае процесс начинается с представления непрерывного сигнала в виде последовательности отсчетов, которые берутся через определенный промежуток времени (иначе говоря, с определенной частотой дискретизации). Эту функцию выполняет схема, называемая устройством выборки-хранения. Запоминая мгновенное значение входного сигнала (чаще всего на конденсаторе), это устройство обеспечивает сохранение величины взятого отсчета на время процесса оцифровки. Процесс оцифровки состоит в представлении амплитуды каждого отсчета в форме двоичного кодового слова с определенным количеством разрядов. Способ, используемый для выполнения такой оцифровки, и определяет возможности, сложность и цену аналого-цифрового преобразователя.

В семидесятых годах первые АЦП представляли собой большие печатные платы или, в лучшем случае, большие гибридные модули, которые обычно очень дорого стоили. Полупроводниковые интегральные микросхемы АЦП, пришедшие им на смену, тоже поначалу были довольно дороги, причем выпускались они в неудобных корпусах с большим количеством выводов. Даже теперь это остается актуальным, но только для некоторых типов АЦП с очень высокими характеристиками (разрешение, быстродействие, число входов); гораздо более простые и дешевые модели появились лишь несколько лет назад.

НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ АЦП

Необходимость встраивать высококачественные аналого-цифровые преобразователи в изделия и товары широкого потребления (электробытовые приборы, автомобили, средства телекоммуникации и т. п.), которые всё в большей степени основываются на цифровых технологиях, заставила изготовителей полупроводниковых элементов применить новые подходы к решению проблемы.

В настоящее время за цену менее двадцати долларов можно купить АЦП в корпусе с восемью выводами, причем возможности этих преобразователей могут быть оценены довольно высоко. Их используют, в частности, для работы с самыми современными компонентами — RISC-микроконтроллерами и цифровыми сигнальными процессорами (ЦСП).

Главная особенность таких АЦП состоит в организации управления по одно- или двухпроводной последовательной шине (SPI, Microwire, PC и т. п.), а не через параллельный интерфейс, требующий наличия одного вывода микросхемы на каждый разряд шины управления. Конечно, такой способ передачи битов данных — один за другим по одному проводу — ограничивает скорость обмена информацией, хотя и здесь можно достичь скорости передачи данных порядка 1 Мбит/сек. На практике, с учетом свойств и возможностей схем дискретизации и квантования, не стоит рассчитывать на преодоление барьера в несколько десятков тысяч измерений в секунду, что в среднем соответствует частоте дискретизации 20 кГц.

Таким образом, эти электронные компоненты не стоит сравнивать со сверхскоростными АЦП типа «flash» или «videos», но они, тем не менее, относятся к классу быстродействующих АЦП. Поэтому при разрядности от 8 до 12 бит они прекрасно подходят для решения большинства задач в области создания виртуальных измерительных приборов.

На рис. 2.1 приведена структурная схема стандартных последовательных АЦП, выполненных в корпусах с восемью выводами.

Рис 2.1. Структурная схема последовательного АЦП

Логическое управляющее устройство со встроенным тактовым генератором управляет работой схемы преобразования, функционирующей по принципу последовательного приближения. Этот принцип состоит в постепенном пошаговом накоплении в промежуточном регистре данных двоичного кодового слова, соответствующего соотношению входного аналогового напряжения (разности между уровнями напряжения на дифференциальных входах ANALOG+IN и ANALOG-IN) и опорного напряжения (разности между уровнями напряжения на дифференциальных входах REF+ и REF-).

Цикл преобразования начинается с фиксации уровня входного аналогового напряжения в устройстве выборки-хранения, а затем преобразователь начинает формировать содержимое регистра. Процесс накопления кодового слова занимает некоторое время, называемое временем преобразования.

На практике как минимум один из выводов ANALOG-IN или REF- технологически соединен с общим проводом (GND), вследствие чего лишь некоторые модели последовательных АЦП могут работать по схеме с дифференциальным входом.

По окончании процесса преобразования селектор данных, расположенный перед выходным каскадом, начинает последовательно выбирать биты информации, содержащиеся в регистре данных, и затем также последовательно подает их на выход DATA OUT. Частота выборки и формирования выходных импульсов определяется внешним тактовым сигналом I/O CLOCK.

Для правильного функционирования АЦП необходимо наличие некоторой внешней управляющей системы, которая должна формировать последовательности синхронизирующих сигналов.

В большинстве случаев аналого-цифровое преобразование начинается в момент подачи соответствующего сигнала на вывод /CS (выбор кристалла). Само по себе преобразование выполняется за несколько десятков микросекунд. После этого необходимо подать нужное количество тактовых импульсов на вывод I/O CLOCK, чтобы вывести результат преобразования через вывод DATA OUT. Хотя величина тактовой частоты вывода данных для некоторых моделей имеет ограничение снизу (например, 100 кГц), она все-таки намного ниже, чем внутренняя тактовая частота преобразования. В большинстве случаев скорость последовательного вывода информации зависит только от скорости, с которой управляющая система может обрабатывать поступающие биты данных.

Работа схемы АЦП последовательного приближения (рис. 2.2) заслуживает более подробного описания, так как именно благодаря ей появился этот тип компонентов.

Рис 2.2. Функциональная схема АЦП последовательного приближения с коммутируемой матрицей конденсаторов

Основой функциональной схемы является коммутируемая матрица конденсаторов. Значение каждого бита данных определяется пороговым детектором в зависимости от величины заряда каждого из весовых конденсаторов, составляющих матрицу АЦП. Рис. 2.2 соответствует десятиразрядному АЦП. По рисунку видно, что число конденсаторов, содержащихся в матрице, должно быть на единицу больше, чем число разрядов. Относительный вес каждой цепи матрицы конденсаторов определяется в соответствии с последовательностью степеней числа два, т. е. от 1 до 512 для десятиразрядного АЦП.

В начале цикла преобразования логическое управляющее устройство замыкает все ключи S T и S c , вследствие чего все конденсаторы одновременно заряжаются до уровня входного напряжения Vi (режим выборки). Затем все ключи размыкаются (режим хранения), и пороговый детектор начинает формировать биты данных, сравнивая напряжение REF- с напряжениями на каждом из конденсаторов матрицы.

Первым обрабатывается напряжение на конденсаторе, установленном в цепи матрицы с максимальным весом (в данном случае — вес 512). Для этого узел 512 подключается к источнику напряжения REF+, а все остальные узлы подключаются к REF-. Если напряжение в суммирующей точке больше порога срабатывания детектора, примерно равного VCC/2, то бит данных устанавливается в нулевое состояние, а узел 512 подключается к источнику напряжения REF-. В противном случае, если напряжение в суммирующей точке меньше порога, бит данных устанавливается в единичное состояние, а узел 512 подключается к источнику REF+ до завершения процесса преобразования. Та же последовательность операций повторяется для цепи с весом 256, потом с весом 128 — и так до тех пор, пока не будет определено значение каждого разряда регистр» данных.

Следует помнить, что n-разрядный АЦП может сформировать лишь 2n различных двоичных кодовых слов (256 для 8 разрядов, 1024 для 10 разрядов, 4096 для 12 разрядов и т. д.). Разница между двумя соседними кодовыми словами соответствует аналоговому весу младшего значащего разряда (МЗР, или LSB в иностранной литературе). Изменение входного напряжения на величину, меньшую по сравнению с этой разницей, может быть не отражено в выходных данных. Некоторые преобразователи, кроме того, вносят дополнительную погрешность и формируют результат с точностью до одного или даже до двух МЗР. Такая дискретность результатов преобразования является следствием характерной для АЦП передаточной характеристики в виде «ступеньки» (рис. 2.3 (а)).

Совершенно очевидно, что в этом случае, так же как при любом другом процессе аналого-цифрового преобразования, полученный результат содержит некоторую ошибку, называемую ошибкой квантования. Причины ее возникновения поясняются в графике, приведенном на рис. 2.3 (б).

Ошибка квантования возникает в результате замены истинной величины отсчета входного сигнала ее дискретным эквивалентом в виде выходного кода и определяется как разность между графиками ступенчатой передаточной характеристики и идеальной прямой. Максимальная величина ошибки для передаточной характеристики, приведенной на рис. 2.3 (а), равна половине величины шага квантования (половине аналогового веса МЗР).

Рис. 2.3. Передаточная характеристике АЦП и таблица кодов преобразования

Важно учитывать эту особенность, которая, если взять для примера 8-разрядный АЦП с полной шкалой 5 В, проявляется в неизбежной погрешности преобразования величиной до 20 мВ. И хотя эта величина составляет лишь 0,4 %, ее следует принимать во внимание.

8-РАЗРЯДНЫЙ АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ

8-разрядные последовательные АЦП являются и самыми дешевыми, и самыми простыми в применении. При условии, что они работают в последней трети своей полной шкалы (что можно обеспечить при помощи предварительного усилителя со смещением), их разрешение с точностью 1/256 вполне соответствует точности, требуемой во многих приложениях виртуального измерительного комплекса.

Компоненты такого типа предлагают многие производители, но до какой-либо стандартизации и унификации в этой области еще очень далеко. Расположение выводов и протоколы связи у разных типов подобных АЦП различны. Возможно, изготовители делают это для того, чтобы затруднить замену компонентов на изделия конкурентов.

8-разрядный последовательный АЦП, который будет использоваться в примерах, был выбран, с одной стороны, ввиду его широкого распространения и вполне приемлемой цены, а с другой стороны, ввиду того, что существуют 10- и 12-разрядные модели, полностью совместимые с ним по расположению выводов. При случае это может упростить проблему модернизации печатных плат.

На рис. 2.4 приведена схема расположения выводов АЦП TLC 549 фирмы Texas Instruments. Именно эта модель будет рассмотрена ниже в ее практическом применении.

Рис 2.4. Расположение выводов аналого-цифрового преобразователя TLC 549

Этот АЦП имеет только один аналоговый вход (ANALOG IN) и два входа для подключения опорного напряжения (REF+ и REF-). Вторым аналоговым входом можно считать общий вывод GND. Если вывод REF- также подключить к общему проводу, АЦП будет формировать байт выходного кода, равный 00000000, при нулевом напряжении на аналоговом входе, и 11111111 — при входном напряжении, равном опорному напряжению, приложенному к выводу REF+.

Протокол связи этого АЦП достаточно прост, его временные диаграммы приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Протокол связи АЦП TLC 549

При переходе сигнала на выводе /CS от высокого к низкому уровню в регистр вывода данных помещается результат предыдущего преобразования. Поэтому рекомендуется выполнить «пустое преобразование» сразу после включения устройства или в случае выполнения двух преобразований, разделенных достаточно продолжительным интервалом времени.

Первое считанное значение выходного кода в этих случаях будет неверным. Следующее преобразование будет правильным, оно начнется по первому переднему фронту импульса, поступившего на вывод /CS после низкого уровня. Важно, чтобы на выводе /CS был высокий уровень в течение всего времени преобразования, но, поскольку этот процесс длится всего несколько десятков микросекунд, данное условие можно считать автоматически выполняемым, если АЦП управляется процессором с программой, написанной на существенно менее быстром языке, чем Assembler.

Каждый бит выходных данных может быть считан на выводе DATA OUT, причем биты выводятся старшими разрядами вперед по переднему фронту импульсов на выводе I/O CLOCK.

Одно из преимуществ этого АЦП состоит в том, что он может работать с любой частотой дискретизации, определяемой управляющей системой — от одного измерения за несколько часов до более двадцати тысяч измерений в секунду.

10-РАЗРЯДНЫЙ АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ

Разрешение в 10 бит — это своеобразный компромисс между 8- и 12-разрядными устройствами, позволяющий устранить проблемы, связанные с недостаточной в некоторых случаях точностью, равно как и со сложностью в изготовлении и настройке.

Аналого-цифровой преобразователь TLC 1549 производства Texas Instruments удобен тем, что он совместим по расположению выводов с TLC 549 (рис. 2.4), но этот компонент допускает шесть различных протоколов связи (три «быстрых» и три «медленных»).

Протокол связи, приведенный на рис. 2.6, очень похож на протокол TLC 549, с тем лишь отличием, что здесь используются десять битов данных вместо восьми.

Рис. 2.6. Протокол связи АЦП TLC 1549

Прямой конкурент АЦП TLC 1549 — аналого-цифровой преобразователь МАХ 1243 производства компании MAXIM-имеет совершенно другое расположение выводов (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Расположение выводов АЦП МАХ 1243

Помимо своих отличных характеристик, он интересен тем, что принадлежит к семейству полностью взаимозаменяемых АЦП, которое включает 12-разрядную версию МАХ 1241, а также тем, что с помощью простой программы его можно легко переключить в 8-разрядный режим.

Такое же расположение выводов имеют и более ранние изделия компании MAXIM (МАХ 187, МАХ 189), и современные модели (МАХ 1240, МАХ 1242).

Некоторые из этих АЦП снабжены встроенным источником опорного напряжения, что дает дополнительные преимущества при расширении возможностей устройств, рассматриваемых в главе 4 этой книги.

Существует два варианта протокола связи, используемого при работе с АЦП МАХ 1243. Они представлены на рис. 2.8.

Рис 2.8. Протокол связи АЦП МАХ 1243

Первый вариант (рис. 2.8 (а)) в основном предназначен для применения в устройствах, которые используют протокол, строго соответствующий стандарту QSPI для некоторых типов последовательных интерфейсов микроконтроллеров. Он отличается наличием двух дополнительных бит S0 и S1 и использованием дополнительных нулей, выводимых при получении более 11 тактовых импульсов. Протокол, совместимый с SPI и Microwire (рис. 2.8 (б)), в большей степени соответствует нашим нуждам, так как работает с блоками по 10 бит.

Следует учитывать, что в начале кодовой посылки присутствует «единичный» бит, в некотором роде стартовый; его нужно исключать перед обработкой, например, подав один дополнительный тактовый импульс.

В отличие от вышеописанных компонентов, АЦП МАХ 1243 дол- жен выполнить преобразование перед тем, как вывести слово данных. Следовательно, после подачи уровня логического нуля на вывод /CS (начало преобразования) надо ждать не менее 7,5 мкс или дожидаться перехода сигнала на выводе DOUT в состояние логической единицы, перед тем как подать положительный перепад напряжения (фронт импульса) на вывод SCLK для начала вывода данных. Преимущество такого способа работы состоит в том, что получаемый результат соответствует текущему циклу преобразования, а не предыдущему, как у вышеописанных устройств. Кроме того, при выводе результата можно использовать только восемь старших значащих разрядов, иначе говоря, использовать МАХ 1243 в 8 разрядном режиме очень высокой точности Для этого достаточно прекратить передачу данных после бита В2, подав на вывод /CS сигнал логической единицы.

12-РАЗРЯДНЫЙ АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ

Аналого-цифровой преобразователь МАХ 1241, полностью аналогичный АЦП МАХ 1243 по расположению выводов, является 12-разрядной версией, которая использует схожий с протоколом, представленным на рис. 2.8 (б). Полностью протокол связи АЦП МАХ 1241 приведен на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Протокол связи АЦП МАХ 1241

Среди полупроводниковых компонентов компаний Linear Technology и Вurr-Brown можно найти 12-разрядные АЦП, которые по расположению выводов схожи с АЦП TLC 549 и TLC 1549. Так приборы LTC 1286 и ADS 1286, практически аналогичные друг другу (за исключением некоторых частностей), отличаются от TLC 549 и TLC 1549 по нескольким основным пунктам. Прежде всего, они имеют дифференциальные аналоговые входы +IN и — IN (рис. 2.10) и однополярный вход опорного напряжения VREF.

Рис 2.10. Расположение выводов АЦП LTC 1286 и ADS 1286

При соединении вывода — IN с общим проводом GND можно получить конфигурацию, совместимую с 8- и 10-разрядными преобразователями. Ее схема приведена на рис. 2.11.

Рис 2.11. Универсальная схема включения АЦП

Указанная аналогия на уровне подключения микросхем не распространяется на используемые протоколы связи АЦП. Рис. 2.12 демонстрирует различия этих протоколов. Для вывода информации вначале следует подать два «пустых» тактовых импульса вместо одного, и, кроме того, можно считывать выходные данные как старшими, так и младшими разрядами вперед.

Рис. 2.12. Протокол связи АЦП 1286

Компания Linear Technology производит компонент LTC 1292, родственный вышеозначенным образцам. У него есть несколько важных отличий, в частности, совершенно непохожее расположение выводов (рис. 2.13).

Рис 2.13. Расположение выводов АЦП LTC 1292

Микросхеме LTC 1292 стоит посвятить несколько дополнительных строк, так как она используется в некоторых АЦП промышленного изготовления, для которых удобно писать специальные программы.

Протокол связи LTC 1292 приведен на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Протокол связи АЦП LTC 1292

Он очень похож на протокол LTC 1286, но только с виду… В отличие от LTC 1286, y LTC1292 ограничена минимальная тактовая частота вывода информации на уровне 100 кГц. Это не вызывает трудностей при работе с программами на языках Assembler или С. но гораздо сложнее обстоит дело в случае работы с программами на языке BASIC или даже на языке PASCAL, работающих на медленном процессоре. Конечно, у нижнего предела тактовой частоты есть определенные допуски на практическое использование, но все же требуется осторожность при оценке точности получаемых результатов.

НАДО ЛИ ВЫХОДИТЬ ЗА ПРЕДЕЛЫ 12 РАЗРЯДОВ?

Попытаемся ответить на вопрос о том, насколько оправдано применение аналого-цифровых преобразователей с разрядностью, большей 12, для решения относительно простых задач при построении виртуального измерительного комплекса.

В промышленности и науке широко применяются 16-, 24-разрядные устройства и даже устройства с большей разрядностью. Оптимальная эксплуатация таких АЦП с высоким разрешением (0,015 % и 6 ppm = 6·10-6 [1]В иностранной литературе часто встречается обозначение точности в единицах ppm (частей на миллион), что соответствует множителю 10 -6 .
, соответственно) предполагает особую аккуратность в вопросах, касающихся высочайшей точности и калибровки всей измерительной цепи — от датчиков до устройств индикации и печати. В любом случае это предполагает большие затраты, что немаловажно.

Для того чтобы оценить ситуацию, следует принять во внимание, что по ширине листа формата А4 даже при разрешении 600 dpi лазерный принтер сможет разместить только 7000 отдельных точек, а хороший графический экран с трудом вмещает 800 точек по вертикали. Следовательно, нельзя и помышлять о том, чтобы с помощью этих устройств графически точно воспроизводить результаты измерений, сделанных шестнадцатиразрядными приборами, в десятки и сотни раз более точными. Исключение составляют случаи вывода особых участков с большим увеличением. В связи с этим в намерения автора не входило рассматривать в данной книге практические конструкции АЦП с разрядностью, большей 12, которые к тому же крайне редко выпускаются в корпусах с восемью выводами и снабжены последовательным интерфейсом.

Основное внимание в дальнейшем будет обращено на то, как добиться удачных результатов (зачастую самыми простыми способами), используя 8- или 10-разрядные АЦП; для самых взыскательных читателей приводятся и сведения о 12-разрядных аналого-цифровых преобразователях.

ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Традиционным элементом стабилизаторов напряжения является стабилитрон, но ему присущи многие недостатки, не позволяющие использовать его в качестве точного источника опорного напряжения даже для 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя.

Для тех направлений схемотохники, где требуется высокая точность результатов, были разработаны гораздо более удобные компоненты — интегральные источники опорного напряжения.

На рис. 2.15 приведена классическая вольт-амперная характеристика стабилитрона (диода Зенера). Напомним, что при прямом смещении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а при большом обратном смещении проявляется эффект Зенера.

Рис. 2.15. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Эффект Зенера, или Зенеровский пробой (разновидность лавинного), — это явление, в результате которого диод становится проводящим при смещении р-n перехода в обратном направлении. Пороговое значение напряжения смещения V z , при котором данный эффект становится возможным, называется напряжением Зенера или напряжением стабилизации.

Анализ вольт-амперной характеристики стабилитрона показывает, что, с одной стороны, ее излом в точке Vz не очень резкий, а с другой стороны, правая ветвь характеристики не является вертикальной. Если к этому добавить, что напряжение Vz существенно зависит от температуры и имеет заметную шумовую составляющую, станет очевидно, что стабилитрон нельзя отнести к прецизионным компонентам.

Таким образом, стабилитрон прекрасно подходит для любых задач, связанных со стабилизацией или регулированием напряжения питания, но его нельзя использовать как эталон в измерительных приборах или в АЦП. Естественно, существуют различные способы улучшения характеристик стабилитрона. Например, при увеличении обратного (рабочего) тока рабочая точка удаляется от излома характеристики; это повышает точность напряжения V z , но незначительно.

Для большинства маломощных стабилитронов рабочий ток составляет в среднем от нескольких единиц до нескольких десятков миллиампер, что существенно превышает ток потребления АЦП.

На практике широко применяется схема стабилитрона с термокомпенсацией, в которой последовательно со стабилитроном включен кремниевый диод в прямом направлении. Их температурные коэффициенты близки по величине, но противоположны по знаку; в результате флюктуации тока обоих диодов, вызванные изменениями температуры, компенсируются, однако и этого по-прежнему недостаточно…

Некоторые двухвыводные интегральные схемы могут легко заменить стабилитроны, при этом они обеспечивают существенно лучшие характеристики. Одна из самых старых моделей — это интегральный стабилитрон ТАА 550, который выпускался в корпусе типа ТО 18 с двумя выводами и широко использовался для стабилизации напряжения систем управления варикапами в телевизорах (от 31 до 35 В при токе до 5 мА). Для получения столь высокого напряжения стабилизации в нем было применено несколько одинаковых последовательно включенных каскадов.

Компонент LM 113 имеет практически идентичную конструкцию, но его номинальное напряжение составляет только 1,22 В с точностью 1 %, 2 % или 5 % в зависимости от исполнения, определяемого буквой, стоящей после названия. Эта величина напряжения основана на физических свойствах кремния (знаменитая «ширина запрещенной зоны») и легко повторяема в серийном производстве.

Рекомендуемый рабочий ток для этого интегрального стабилитрона составляет от 0,5 мА до 20 мА.

Компоненты подобного типа выпускают многие изготовители — в частности, можно назвать модели ICL 8069 фирмы Intersil, AD 589 фирмы Analog Devices и др. Интегральные источники опорного напряжения (ИОН) серий LM 185, LM 285 и LM 385 основаны на том же физическом принципе, существуют также версии с напряжением 2,5 В с точностью 1 % и 2 %. Некоторые источники выполняются в корпусах с тремя выводами, при этом дополнительный третий вывод позволяет, при необходимости, регулировать параметры стабилизаторов с помощью внешнего делителя на резисторах.

Указанные источники опорного напряжения обладают следующими основными характеристиками:

Рабочий ток… 20 мкА — 20 мА

Динамическое сопротивление (на частоте 20 Гц, при токе 100 мкА)… 1 Ом

ЭДС шума (при токе 100 мкА, в полосе 10 Гц — 10 кГц)… 120 мкВ

Долговременная нестабильность (при токе 100 мкА и температуре 25 ±0,1 °C)… 20 ppm за 1000 час

Температурный коэффициент (при токе 100 мкА)… 150 ррт/°С

Чуть более дорогие, но и более стабильные устройства типа LT 1009 компании Linear Technology и REF 25 Z компании GEC Plessey также формируют опорное напряжение 2,5 В, но с точностью, соответственно, 0,2 % и 1 %.

Отметим также некоторые компоненты, родственные ИОН, но имеющие вполне определенный температурный коэффициент. Это, например, LM 135, LM 235 и LM 335, выходное напряжение которых меняется точно на 10 мВ при изменении температуры окружающей среды на один градус. В данной книге эти компоненты будут упоминаться при описании виртуальных приборов для измерения температуры (см. главу 6).

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Итак, очевидно, что аналого-цифровой преобразователь нуждается в очень точном и стабильном источнике опорного напряжения, относительно которого схема преобразования оценивает уровень входного напряжения. В тех случаях, когда опорное напряжение выступает в качестве эталона, принято говорить об абсолютном преобразовании.

Однако бывают случаи, когда какая-либо измеряемая величина может быть определена не в виде одного напряжения, а в виде соотношения двух напряжений. Самым очевидным примером является потенциометрический датчик, но можно представить также струнные датчики, магниторезисторы, датчики температуры или давления, или, в более широком плане, любые способы измерений, использующие изменение сопротивления.

Напряжение на АЦП в таком случае подастся с резисторного делителя, питаемого от источника опорного напряжения. При этом достаточно использовать один источник опорного напряжения и для резисторного делителя АЦП, и для датчика, чтобы автоматически снять влияние погрешности или дрейфа опорного напряжения.

Таким образом можно очень точно измерять отношение напряжений в узлах резистивного моста, даже если опорное напряжение не очень стабильно. В этом случае принято говорить об относительном преобразовании.

На рис. 2.16 показан простой пример относительных измерений, а именно — определение положения оси потенциометра, отражающего, скажем, положение флюгера, пера руля или створки шлюза.

Рис. 2.16. Пример схемы относительного преобразования

Опорное напряжение формируется непосредственно из напряжения питания VCC, обычно стабилизированного и равного 5 В. Представим, что в схеме R4 = R1, a R3 = R2, или что отношения R1/R2 и R4/R3 одинаковы. Когда подвижный контакт потенциометра находится в верхнем положении, на входах ANALOG+IN и REF+ будет одинаковое напряжение, и преобразователь сформирует двоичный код, соответствующий его полной шкале (эквивалент числа 255 для 8-разрядного преобразователя). В нижнем положении подвижного контакта потенциометра на нем будет нулевое напряжение, и АЦП, естественно, сформирует код, соответствующий нулевой входной величине. Результат измерения между указанными крайними точками будет очень точно отражать угловое положение подвижного контакта, при условии, что этот потенциометр — прецизионный и имеет линейную характеристику.

Если напряжение питания уменьшится до 4,5 В или увеличится до 5,5 В (что соответствует десятипроцентной погрешности!), это изменение повлияет на потенциалы и на измерительном, и на опорном входах преобразователя, а разность между ними останется прежней.

Данная схема позволяет ввести поправочные коэффициенты путем изменения величины сопротивления резистора R4. Это необходимо, в частности, из тех соображений, что механический ход подвижного контакта (угол поворота оси) обычного потенциометра меньше 360 градусов.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Большинство простых аналого-цифровых преобразователей предназначены для работы с входными напряжениями в диапазоне от 0 В до величины, меньшей или равной опорному напряжению, которое, в свою очередь, меньше или равно напряжению питания.

Всякое входное напряжение, меньшее напряжения на входе REF-, преобразуется на выходе в код, соответствующий нулю, а напряжение, большее напряжения на входе REF+, определяется как равное напряжению полной шкалы АЦП.

Аналого-цифровые преобразователи, способные обрабатывать отрицательное входное напряжение, формируют на выходе результат преобразования «со знаком», т. е. обычные двоичные слова, старший разряд которых указывает полярность.

8-разрядный преобразователь «со знаком» будет в таком случае иметь только 7 разрядов для представления абсолютной величины измеряемого значения, а этого может оказаться недостаточно (всего 128 возможных уровней квантования).

В случае, когда измеряемое входное напряжение всегда является отрицательной величиной, самое простое решение проблемы заключается в перемене мест входного и общего выводов АЦП, так же, как это делается со щупами любого стрелочного тестера. Но таким образом нельзя избежать проблемы переменного входного напряжения с нулевым средним значением, которое интересно обрабатывать в таких приложениях как виртуальный осциллограф, анализатор спектра или же с целью измерения истинных эффективных значений (среднеквадратичное или RMS).

Простейший выход состоит в добавлении к входному напряжению постоянного напряжения смещения; иначе говоря, надо сместить «ноль» на величину, не меньшую пикового значения измеряемого сигнала. В некоторых случаях это можно сделать, последовательно подключив батарейку, но более разумно применить суммирующую схему на базе операционного усилителя.

Если амплитуда измеряемого сигнала мала по сравнению с полной шкалой АЦП, можно ввести в схему дополнительный входной усилитель. Этот случай будет рассмотрен в главе 6.

УСТРОЙСТВА НОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Обычно устройством нормирования сигналов называют любую схему, включенную на входе АЦП и предназначенную для согласования его характеристик с характеристиками и параметрами источника измеряемых сигналов. Функции таких устройств могут быть гораздо сложнее, чем простой сдвиг уровня или дополнительное усиление, которые требуются в примерах, представленных на рис. 2.17 (изменение напряжения V в зависимости от значения физической величины G).

Рис 2.17. Два примера линейных зависимостей

Нередко устройство нормирования должно выполнять преобразование «ток-напряжение», одно- или двухполупериодное выпрямление, фильтрацию или даже преобразование изменений емкости или индуктивности в изменение постоянного напряжения. Так, термопары требуют компенсации эффекта «холодного спая», а при работе с мостовыми датчиками необходимо наличие дифференциального входа. Некоторые датчики с нелинейными характеристиками (например, терморезисторы), два примера которых показаны на рис. 2.18, требуют линеаризации по достаточно сложным математическим законам.

Рис. 2.18. Два примера нелинейных зависимостей

В таком случае обычно используют как аналоговую коррекцию, выполняемую схемами в устройстве нормирования, так и цифровую коррекцию, выполняемую программно в процессе обработки выходных данных АЦП.