0 применении ацп с сигма-дельта модуляцией в режиме коммутации

Простейшая структурная схема АЦП

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) в режиме коммутации традиционно применяются в самых различных электронных схемах для цифрового преобразования нескольких сигналов от нескольких источников средствами одного АЦП. Традиционно такое решение считалось целесообразным, поскольку это, казалось бы, позволяет обеспечить существенное аппаратное упрощение. Однако существуют существенные теоретические основания для того, чтобы отказаться от этого решения, поскольку аппаратный выигрыш ничтожен, а потеря точности измерений за счет режима коммутации в каждом канале весьма ощутима. Это мнение разделяется далеко не всеми, поскольку даже разработчики АЦП предусматривают режим коммутации, закладывая его в схемотехническое исполнение АЦП, а также рекомендуя его в инструкциях для пользователей. В данной главе осуществлено сопоставительное исследование работы АЦП в режиме с коммутацией и без коммутации путем моделирования в программе VisSim. Для моделирования использован принцип работы АЦП с сигма-дельта модуляцией, поскольку такие АЦП приобретают все большее распространение вследствие их низкой стоимости и высокой точности при достаточном для многих практических случаев быстродействии. Результаты моделирования обосновывают целесообразность отказа от схем с коммутацией.

На ранних стадиях развития аналого-цифровых преобразователей эти устройства были крайне сложными для производства. Они изготавливались на множестве отдельных микросхем, требовали использования в своем составе высокоточных резисторов и источников опорных напряжений, ключей, регистров, сравнивающих устройств. Фактически АЦП представляли собой отдельный модуль (печатную плату с элементами), дорогостоящий и достаточно объемный. Коммутация сигналов могла осуществляться на реле, транзисторных ключах или ключах на полевых транзисторах. Запоминание аналоговых сигналов на время преобразования осуществлялось на устройствах выборки-хранения (УВХ), которые представляли собой последовательно соединенные ключ и повторитель, имеющий запоминающий конденсатор на своем входе. Ключи и УВХ были намного проще, чем АЦП, достигаемая точность АЦП соответствовала 10—12 разрядам. Поэтому если коммутация и вносила небольшую дополнительную погрешность, для АЦП малой разрядности это не ощущалось, а аппаратная экономия оправдывала себя. Далее исследуется целесообразность такого решения методом математического моделирования работы АЦП, работающего по принципу сигма-дельта модуляции.

Простейший АЦП содержит вычитающее устройство (означаемой буквой «дельта») и интегратор, или сумматор (означающий буквой «сигма»), как показано на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Упрощенная структура АЦП с сигма-дельта модуляцией.

Устройство работает следующим образом. Источник сигнала формирует сигнал V (t). Этот сигнал поступает на устройство сравнения, которое из этого сигнала вычитает от интегратора X (t). Чаще всего устройство сравнения — это простой компаратор, на выходе которого формируются лишь два уровня сигнала, в данном случае — положительный или отрицательный сигнал фиксированной величины (одной и той же). Интегратор осуществляет интегрирование этой импульсной последовательности, формируя сигнал X (t) для обратной связи, подаваемой на устройство сравнения. За счет действия обратной связи выходной сигнал интегратора X (t) в среднем с высочайшей точностью равен входному сигналу АЦП, т. е. сигналу V (f). Поскольку выходной сигнал X (t) является интегралом от импульсного сигнала Z (t), вследствие работы системы получается, что формируемая импульсная последовательность Z (t) несет информацию о величине аналогового сигнала V (t). Далее, как правило, в АЦП содержится преобразователь кода, который преобразует последовательность нулей и единиц в параллельный код, соответствующий значению преобразованного сигнала.