DUa max(ti)=Um. 2pf. tа.(10.9)

Если принять, что для Np - разрядного АЦП апертурная погрешность не должна превышать шага квантования по уровню DUвх (рисунок 10.16), то между частотой сигнала f, апертурным временем tа и апертурной погрешностью имеет место соотношение:

.(10.10)

Разделив левую и правую части неравенства (10.10) на Um, получим:

.(10.11)

Например, если Np=8, а время преобразования АЦП tпрб = 7,5 мкс, то частота входного сигнала не должна превышать 83 Гц. В этом случае апертурная погрешность не превышает единицы младшего значащего разряда двоичного кода на выходе АЦП.

Рисунок 10.16

Для уменьшения апертурной погрешности АЦП обычно используются устройства выборки и хранения (УВХ), включаемые между входом АЦП и выходом источника аналогового сигнала.

10.2.3.2 Принцип действия, схема и основные параметры УВХ

Работа УВХ основана на принципе фиксации мгновенного значения изменяющегося во времени входного сигнала Uвх(t) на время, необходимое для последующего преобразования в АЦП. УВХ имеет два режима работы: выборки и хранения. В режиме выборки (слежения) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения преобразуемого сигнала Uвх(t) и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить (запоминать) на выходе мгновенное значение преобразуемого входного сигнала. Т.к. УВХ запоминает входной сигнал АЦП в момент времени, точно определяемый командой хранения, апертурное время и погрешность АЦП существенно снижается и определяется в основном апертурным временем УВХ – максимальным временем от момента подачи команды на хранение до момента начала перехода схемы в данный режим. Апертурное время УВХ обусловлено конечным временем переключения ключа, входящего в состав УВХ, при переходе схемы от выборки к хранению.

Схема простейшего УВХ показана на рисунке 10.17.

Рисунок 10.17

Размыкание и замыкание ключа определяется командным сигналом, поступающим от таймера. Когда ключ замкнут, выходной сигнал УВХ e0(t) изменяется в соответствии с входным сигналом es(t).

Когда ключ разомкнут, значение выходного сигнала определяется напряжением на конденсаторе.

На рисунке 10.18 показаны типовые сигналы на входе и выходе простого УВХ в предположении, что сопротивление источника равно нулю. Временной интервал, в течение которого ключ замкнут, – время выборки р. На практике сопротивление RS отличается от нуля, и конденсатор будет заряжаться в соответствии с входным сигналом с постоянной времени RS·С. Более того, требуется конечное время на отработку командных сигналов.

Рисунок 10.18

Поэтому выходной сигнал УВХ может существенно отличаться от идеального, что определяется несовершенством устройства и его погрешностями.

На рисунке 10.19 показаны типичные входной и выходной сигналы реального УВХ.

Рисунок 10.19

На выходной сигнал УВХ влияют временные задержки и неидеальность фиксации. Основные параметры процессов, показанных на рисунке, могут быть определены следующим образом.

Время выборки (Та) – определяется интервалом от момента поступления команды на выборку до момента, когда выходной сигнал станет равным входному с некоторой погрешностью (обычно ±1%).

Апертурное время (Тр) – интервал от момента поступления команды на фиксацию до момента, когда ключ разомкнется. Оно определяется временем срабатывания переключающей схемы внутри УВХ. Для одного УВХ это время непостоянно, и обычно в технических данных указывается его среднее значение. Апертурное время типового УВХ может иметь значение »10 нс.

Время установления (ТS) – период, необходимый для затухания колебаний до некоторой величины (определяемой допустимой погрешностью). При переходе к режиму фиксации возникает переходной процесс, обусловленный реактивными элементами в схемах цифровой логики. Время установления для типового УВХ может быть от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд, в зависимости от требуемой точности.

Спад сигнала – медленное уменьшение выходного напряжения УВХ из-за токов утечки переключателя и буферного усилителя в течение времени фиксации.

Спад сигнала может быть существенно уменьшен, если на выходе УВХ включить буферный усилитель с высоким входным сопротивлением. Аналогично, можно включить буферный усилитель на входе УВХ для согласования его с источником входного сигнала. УВХ с буферными усилителями на входе и выходе показано на рисунке 10.20.

Рисунок 10.20

В цифровых системах операции выборки и хранения периодически инициируются таймерами. На рисунке 10.21 показаны процессы, протекающие в УВХ при постоянной частоте управляющих импульсов. Время между командными сигналами называется периодом квантования Т.

Рисунок 10.21

10.2.3.3 Функциональные возможности и схема включения микросхемы УВХ К1100СК2 (КР1100СК2)

Микросхемы серии К1100 (КР1100) и К1100СК2 (КР1100СК2) представляют собой устройство выборки и хранения аналогового сигнала (УВХ). По команде, поступающей на управляющий вход, они с высокой точностью запоминают мгновенное значение входного сигнала и в течении определенного времени поддерживают равное ему напряжение на выходе. Схемы предназначены для применения в цифровых системах совместно с аналого-цифровыми преобразователями для расширения частотного диапазона обрабатываемых сигналов.

Изображение корпуса микросхемы КР1100СК2 на сборочных чертежах приведено в [6].

Структура ИМС КР1100СК2 (рисунок 10.22) включает: схему управления электронным ключом (СУЭК), два операционных усилителя (DA1, DA2) и несколько вспомогательных пассивных электронных компонентов (диоды VD1, VD2 и резисторы R1, R2).

Рисунок 10.22

Назначение выводов ИМС:

1 – питание (+Uпит);

2 – балансировка напряжения сдвига нуля;

3 – вход УВХ;

4 – питание (-Uпит);

5 – выход;

6 – подключение емкости хранения;

7 – 2-й вход СУЭК;

8 – 1-й вход СУЭК.

Основные электрические параметры:

Типовая схема включения микросхемы КР1100СК2 показана на рисунке 10.23. В этой схеме балансировка напряжения смещения нуля в режиме выборки осуществляется резистором R2.

Рисунок 10.23

На рисунке 10.24 показана функциональная схема подсистемы ввода аналоговых сигналов в цифровую информационную систему с использованием УВХ типа КР 1102СК2.

По сигналам управления, поступающим от однокристальной микро ЭВМ (ОМ ЭВМ), мультиплексор подключает выбранный аналоговый сигнал ко входу УВХ. Последнее запоминает мгновенное значение этого сигнала и хранит его в течение времени преобразования АЦП.

Рисунок 10.24

10.2.4 АЦП MAX154

На современном рынке микросхем представлен широкий спектр СБИС АЦП, среди которых распространенными являются микросхемы фирмы «MAXIM».

Ниже рассмотрена одна из таких современных СБИС АЦП – MAX154, выполненная по КМОП технологии. Она представляет собой высокоскоростной четырехканальный АЦП, а также выполняет функции мультиплексора и УВХ.

10.2.4.1 Описание микросхемы MAX154. Временные диаграммы и режимы работы

Преобразователь имеет встроенное устройство выборки-хранения, мультиплексор, внутренний формирователь опорного напряжения: 2.5В.

Рисунок 10.25

Диапазон аналогового входа: от 0В до 5В.

Питающее напряжение: +5В.

Время преобразования на каждый канал: 2.5 мкс.

Погрешность: 1/2 МЗР

Потребляемый входной ток: 15мA

Допустимый диапазон рабочих температур: от –40°С до +85°С.

Интерфейс с микропроцессором упрощен возможностью адресации микросхемы как области памяти или порта ввода/вывода без использования внешней логики. В качестве выхода используется регистр-защелка с третьим состоянием, что позволяет напрямую подключить микросхему к шине данных или портам ввода.

Внешний вид микросхемы приведен на рисунке 10.25, а описание выводов – в таблице 10.1.

Таблица 10.1 – Описание выводов микросхемы МАХ154

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33