Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Точность виртуального прибора определяется не только количеством цифр после запятой, которое выводится на экран управляющей программой. Кстати, эти цифры могут быть ошибочными, если не приняты некоторые меры метрологического характера.

Одним из основных критериев является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Этот параметр определяет степень разрешения при измерениях, то есть ту наименьшую разницу между двумя соседними значениями, которую «чувствует» измерительный прибор. К примеру, восьмиразрядный АЦП способен формировать 28, или 256 различных значений выходного сигнала (кода). Если его полная шкала составляет 5 В, он сможет различить два уровня входного напряжения, отличающиеся примерно на 20 мВ; это соответствует чувствительности хорошего стрелочного гальванометра

Дешевые виртуальные приборы чаще всего ограничены по скорости измерений (от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч отчетов в секунду). Это более чем достаточно, например, для регистрации кривых заряда или разряда аккумуляторов, а также для замеров метеорологических параметров. Однако этого не всегда достаточно для правильного отображения формы звукового сигнала на экране виртуального осциллографа или для выполнения серьезного спектрального анализа.

Пользователь подобных приборов всегда должен четко представлять возможности своего оборудования и программного обеспечения (ПО) и учитывать их, прежде чем делать поспешные выводы из полученных результатов.

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 ST и Sc, 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.