Электроды для биомедицинских измерений (стр. 8 )

Известны 3 базовых принципиально различных метода АЦ - преобразования: параллельный, поразрядно уравновешивания и последовательного счета. На практике часто встречаются модификации или комбинации указанных методов. Кроме этого существует другие варианты| классификации АЦП, например, их разделяют на интегрирующие и неинтегрирующие, с использованием ЦАП в обратной связи и без такового.

На рисунке 4.1 показан принцип построения параллельного АЦП (для трёхразрядного числа.). Входное напряжение сравнивается одновременно с 2n-1 (n- число разрядов) уровнями, которые создаются, например, с помощью прецизионного резистивного делителя от высокостабильного опорного напряжения Uоп.

Выходной код формируется шифратором. Схемная сложность АЦП параллельного типа очень быстро возрастает с увеличением числа двоичных разрядов. С другой стороны эти АЦП являются наиболее быстродействующими, т. к. результат получается за один такт, а время преобразования определяется временем срабатывания компараторов и задержкой шифратора. Поэтому параллельный АЦП применяется для преобразования ВЧ-сигналов с верхней частотой в спектре более 1МГц.

На рисунке 4.2а показан АЦП, работающий по методу поразрядного взвешивания. В основе его работы лежит сравнивание выходного сигнала внутреннего ЦАП с аналоговым входным сигналом. Цифровой эквивалент аналогового входного напряжения формируется путём пробной установки единицы последовательно во всех разрядах, начинал со старшего. Перед началом преобразования логическое устройство управления (это может быть микрокомпьютер) записывает в память нули.

Непосредственно по следующему тактовому импульсу в старшем разряде Z устанавливается "1". При этом напряжение на выходе ЦАП• составит U(z) =0.5*Uоп. Если входное напряжение Uвх > U(z), то единица в старшем разряде сохраняется, в противном случае устанавливается z= 0. Затем "1" устанавливается в следующем разряде и процесс последовательного приближения продолжается до тех пор, пока не будут определены цифры всех разрядов. Подобный процесс может быть представлен как двоичный поиск, начинающийся с середины (рисунок 4.2б). Для n-разрядного АЦП необходимо совершить n шагов, каждый из которых выполняется за один такт.

Рисунок 4.1 – Трёхразрядный параллельный АЦП

Рисунок 4.2 – АЦП поразрядного взвешивания (а) и схема его работы (б)

Метод поразрядного взвешивания - наиболее распространённый при построении АДП, поскольку обеспечивает относительно высокую скорость и быстродействие. Типовые значения времени преобразования составляют от 1 до 50 мкс при разрядности от 8 до 12.

Метод последовательного АЦ - преобразования отличается незначительными аппаратурными затратами и высокой точностью. Время преобразования оказывается значительно больше, чем при других методах и составляет, как правило, 1-100 мс. Существует большое число схемных вариантов данного метода.

На рисунке 4.3 представлен простой АЦП последовательного. счета цедящего типа (с постоянным выравниванием). В нём используются в качестве элемента памяти реверсивный двоичный счётчик, выходной цифровой код которого при помощи ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал, поступающий на вход компаратора. Если разность Uвх – U(z)> 0, счётчик работает в суммирующем режиме, благодаря чему и U(z) приближается к Uвх. При Uвх – U(z)< 0 счётчик переключается в вычитающий режим. Компенсирующее напряжение U(z) будет отслеживать входное Uвх

АЦП данного типа довольно инерционны. При входном сигнале, соответствующим Верхней границе диапазона, необходимо отсчитывать 2n-1 импульсов. Однако при малых приращениях входных сигналов можно получить хорошее быстродействие, т. к. отслеживание носит непрерывный характер. Скорость отслеживания составляет Uоп/2n за такт работы счетчика.

Метод последовательного счета лежит так же в основе работы большой группы АЦП косвенного преобразования, в которых входное аналоговое напряжение предварительно преобразуется в промежуточную величину (частоту, длительность импульса и т. д.), которая затем преобразуется в цифровой код. Обычно АЦП косвенного преобразования значительно проще по схемотехнике, чем АЦП других типов. Однако время преобразования у них обычно больше.

Наиболее широко распространенной разновидностью АЦП косвенного преобразования являются так называемые интегрирующие АЦП, в которых напряжение в начале преобразуется в длительность импульса, а затем эта длительность измеряется счетчиком. Различают одно - двух - и трёхстадийные интегрирующие АЦП.

Наиболее простым из них является одностадийный, который чаще называют АЦП с генератором пилы (рисунок 4.4).

Рисунок 4.3 – АЦП следящего типа

Рисунок 4.4 – Одностадийный интегрирующий АЦП (а) и временные диаграммы (б) его работы

Преобразователь работает следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения (источник тока и конденсатор) запускается в начале преобразования, после чего счетчик начинает считать импульсы от стабилизированного тактового генератора. Когда пилообразное напряжение на конденсаторе достигнет входного уровня, компаратор сбросит D-триггер, счетчик остановится и его состояние будет соответствовать выходному коду, который переписывается по фронту сигнала Q в выходной регистр. После этого счётчик сбрасывается, конденсатор разряжается и преобразователь готов к следующему циклу.

Метод одностадийного преобразования накладывает жесткие требования на стабильность и точность конденсатора, источника тока и компаратора. По этой причине трудно обеспечить точность выше 0,1 %.

Метод двух - и трёх - стадийного интегрирования применяется в прецизионных цифровых мультиметрах постоянного напряжения, т. к. имеют большое время преобразования (до нескольких секунд ).

4.2.2 Устройства выборки-хранения

УВХ используют для уменьшения динамической апертурной погрешности АЦП и включают между входом АЦП и выходом источника аналогового сигнала. Их работа основана на принципе фиксации мгновенного значения изменяющегося во времени входного сигнала Uвх(t) на время, необходимое для последующего преобразования в АЦП.

Основная схема УВХ показана на рисунке 4.5. Она часто выполняется как законченная ИС и содержит два операционных усилителя с малым временем установления. Выходной ОУ выполняет функцию повторителя и имеет МОП - транзисторы на входах, что обеспечивает малую утечку заряда с запоминающего конденсатора. Когда ключ на полевом транзисторе замкнут вся схема работает как усилитель с коэффициентом усиления К=R1+R2. При размыкании ключа Uвых сохраняет свое значение. Для обеспечения длительного хранения конденсатор должен иметь малый ток утечки и большую емкость. Однако чем больше емкость, тем больше время перезарядки и установления выходного напряжения.

Рисунок 4.5 – Схема УВХ (а) и временные диаграммы её работы (б) при R1=0

4.2.3 Основные параметры и характеристики АЦП

Различают статические и динамические параметры АЦП. Статические параметры характеризуют точность преобразования постоянных или медленно изменяющихся входных сигналов, динамические - дополнительные погрешности, возникающие при работе с быстро изменяющимися сигналами

4.2.4 Статические параметры АЦП

Число разрядов (разрядность) АЦП - количество разрядов цифрового кода, которое может вырабатывать АЦП. Для двоичных АЦП это число равно двоичному логарифму максимального числа кодовых .комбинаций на выходе АЦП.

Характеристика преобразования АЦП - зависимость выходного кода от входного аналогового напряжения (рисунок 4.6). Эта характеристика описывается в свою очередь рядом важных параметров. Разность значений входных напряжений, соответствующих соседним межкодовым переходам, называется шагом квантования. Интервал значений напряжения от начальной Uн до конечной Uк точек ХП называется диапазоном входного напряжения АЦП. Для идеального АЦП шаг квантования h равен единице младшего значащего разряда и связан с диапазоном входного напряжения и разрядностью соотношением:

h=(Uк-Uн)/(2n-1) (4.2)

Обычно Uн = 0, или Uн = -Uк. Реальная ХП АЦП может значительно отличаться от идеальной. Эти отличия определяют точностные параметры АЦП: напряжение смещение нуля, отклонение коэффициента преобразования от номинального значения, интегральную и дифференциальную нелинейность, монотонность функции преобразования и некоторые другие (рисунок 4.7).

Напряжение смещения нудя на входе характеризует отклонение начала характеристики АЦП от заданного значения. Измеряется оно обычно в ЕМР.

Отклонение коэффициента преобразования от номинального значения в частном случае характеризуется погрешностью преобразования в конечной точке ХП (шкалы) δпш - отклонением входного напряжения, соответствующего конечной точке ХП, от номинального значения. Измеряется в ЕМР или %.

Нелинейность преобразования (интегральная) δл - максимальное значение систематической погрешности результатов преобразования по всему диапазону шкалы, вычисленное относительно точек прямой, аппроксимирующей реальную ХП оптимальным образом (например, по критерию минимальной суммы квадратов отклонений). Часто применяется аппроксимация путем проведения прямой через конечные точки шкалы (для малоразрядных АЦП). Измеряется в %, от диапазона входного сигнала.

Рисунок 4.6 – Характеристика преобразования идеального АЦП (1), линеаризованная ХП (2) и возникновение шумов квантования (3)

Рисунок 4.7 – Определение Uсм, δл, δпш (а), дифференциальной нелинейности и монотонности: 1 – реальная ХП; 2 – линейная аппроксимация реальной ХП; 3 – ступенчатая аппроксимация ХП; 4 – немонотонный участок

Рисунок 4.8 – Структурная схема исследуемого АЦП

Дифференциальная нелинейность δлд - максимальное отклонение действительных шагов квантования от их среднего значения. Измеря­ется δлд в % или ЕМР. При δлд < -1 ЕМР имеет место немонотонность ХП и выпадение кодовых комбинаций.

4.2.5 Динамические характеристики АЦП

Основными динамическими параметрами АЦП являются время или максимальная частота преобразования. Время преобразования tпр - время от момента изменения сигнала на входе до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода. Максимальная частота преобразования fпрmах - наибольшая частота дискретизации, при которой выбранные параметры АЦП соответствуют нормам.

Апертурное время tа - время между моментом выборки (отсчета) мгновенного значения и моментом получения его цифрового эквивалента.

Апертурная погрешность Uа определяется приращением входного изменяющегося во времени сигнала АЦП за время преобразования

4.3 Используемое лабораторное оборудование

В лабораторной работе исследуется работа и характеристики АЦП, использующего ЦАП в обратной связи, с программным управлением от персонального компьютера. Конструктивно плата АЦП встроена в компьютер и соединяется через разъём с пультом коммутации, через который к АЦП подключается источник сигнала, вольтметр и осциллограф.

Структурная схема аппаратной части АЦП приведена на рисунке 4.8. Входной аналоговый сигнал через усилитель с программируемым от компьютера коэффициентом усиления и УВХ поступает на один из вхо­дов компаратора. На второй вход компаратора подаётся напряжение с выхода ЦАП, преобразующего цифровой код, поступающий с компьютера. Записывая программно во внутренний регистр ЦАП коды по тому или иному алгоритму и определяя при этом момент срабатывания ком­паратора, можно реализовать соответствующие методы АЦ-преобразования последовательного счета, следящий или поразрядного взвешивания.

Для исследования характеристик АЦП на пульт коммутации выведены аналоговый вход (с аналоговой землёй), выход УВХ, выход ЦАП, выходные сигналы выборки УВХ, запуска ЦАП, начала и конца преобразования. Кроме этого в пульте коммутации имеется встроенный источник регулируемого напряжения, которое при проведении изменений подается на вход АЦП.

При проведении измерений с клавиатуры компьютера вводятся необходимые данные, задаваемые преподавателем (метод преобразования, разрядность АЦП, коэффициент усиления программируемого усилителя и некоторые др.).

4.4 Порядок выполнения работы

1 Получить у преподавателя необходимые исходные данные.

2 По заданным опорному напряжению и числу разрядов рассчитать и построить теоретическую (реальную) ХП АЦП. Определить уровни и шаг квантования, начальную и конечную точки ХП, построить зависимость ошибки квантования от Uвх.

3 Снять реальную характеристику преобразования АЦП на возрастании и на уменьшении входного сигнала. Рассчитать среднюю ХП и построить ее график. По реальной (средней) ХП определить начальную и конечную точки ХП, уровни квантования, среднее значение и СКО шага квантования.

4 Определить следующие параметры точности АЦП:

- погрешность преобразования (абсолютную и относительную);

- погрешность уровня квантования в функции кода;•

- интегральную нелинейность относительно оптимальной аппроксимирующей прямой и линии, проведенной через конечные точки шкалы;

- дифференциальную нелинейность;

- монотонность функции преобразования;

5 Измерить время преобразования для уровней Uвх равных 0.25; 0.5; 0.75 и 1.0 от уровня напряжения в конечной точке шкалы (как интервал времени между импульсами Нач. пр. и Кон. пр.), а также время цикла преобразования (как период следования импульсов Нач. пр. или Кон. пр.). Наблюдать и зарисовать форму сигнала на выходе ЦАП.

6 Определить время установления ЦАП, используемого в обратной связи (как интервал времени между началом импульса Зап. ЦАП и: окончанием переходного процесса на его выходе при изменении входного кода с 00...0 на 11...).

4.5 Содержание отчета

1 Цель работы.

2 Краткие теоретические сведения.

3Схемы измерений.

4 Результаты измерений и расчетов.

5 Выводы по полученным результатам.

6. Контрольные вопросы

4.6 Контрольные вопросы

1 Методы АЦ - преобразования и их сравнительные характеристики.

2 Функциональная схема параллельного АЦП.

3 Функциональная схема АЦП поразрядного уравновешивания.

4 Функциональная схема АЦП последовательного счёта.

5 Построение и работа УВХ.

6 Характеристика преобразования АЦП и параметры, характеризующие её отклонение от идеальной.

7 Динамические параметры АЦП.

8 Функциональная схема АЦП, исследуемого в работе.

9 Методики измерения характеристик АЦП, используемые в лабораторной работе.

4.7 Литература

1 Жуковский электронные системы. М.:"Медицина". 19с.

2 Микрокомпьютерные медицинские системы: Проектирование и применение. / Под ред. У. Томпинкса. - М.: Мир, 19с.

3 , , - Аналого - цифровые преобразователи / Под редакцией , - М.-. Сов. радио, 1с.

4 , , Дегтяренко цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М: Радио и связь, 1с.

5 , , Лукьянов схемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. - М: Энергия, 1с.