Принцип действия АЦП последовательного приближения

Код преобразования АЦП необходимо выдавать на выход лишь после того, как РПП закончит свой цикл преобразования. Код, полученный в результате предыдущего цикла необходимо держать на выходе в течение всего следующего цикла преобразования. Данную функцию выполняют выходные регистры. В их качестве использованы микросхемы DD11, DD12 – КР1533ИР23.

По завершению цикла преобразования РПП, на его выходе QCC выставляется сигнал низкого уровня. По этому сигналу производится запись в регистры DD11 и DD12. Так как запись в регистры производится по положительному перепаду сигнала на входе С, то сигнал с выхода QCC РПП необходимо инвертировать. Выполнение этой функции возложено на микросхему DD10:1.

Схема включения блоков выходных регистров  представлена на рисунке 4.9.1

 

Рисунок 4.9.1. Схема включения  блока выходных регистров.

 

5. Расчет погрешностей  схемы.

 

Погрешности данной схемы можно  разделить на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивная погрешность  представляет собой смещение полезного  сигнала на определенную величину, не зависящую от уровня сигнала.

Мультипликативная погрешность  представляет собой смещение полезного  сигнала на величину,  зависящую от уровня сигнала.

К аддитивным погрешностям можно отнести погрешности напряжения смещения и дрейфа нуля операционных усилителей, погрешность квантования, погрешность источника опорного напряжения и др.

К мультипликативным относят погрешности  функции преобразования каскадов, т.е. погрешность коэффициента усиления усилительного каскада на операционном усилителе, погрешность коэффициента делителя резистивного делителя и др.

Рассмотрим расчет мультиполикативной погрешности

Зависимость относительной  погрешности от частоты можно найти как геометрическую сумму относительных погрешностей всех узлов схемы.

 

    

 

Функцию относительной  погрешности отдельно взятого узла можно определить исходя из её абсолютной погрешности, которую можно определить из выражения (3.1.3)

 

       

, где  D_i(f) – функция абсолютной погрешности i-го узла от частоты

К_i(f) – требуемый коэффициент преобразования i-го блока

 

 

, где K_i(f ) – передаточная функция блока аналогового тракта,

  - влияющий на погрешность  элемент

- абсолютное значение разброса  элемента

 

 

Рассмотрим в отдельности погрешности  каждого узла схемы.

1. Входной буферный каскад.

Мультипликативная составляющая погрешности, представляющая собой погрешность  коэффициента усиления, по случаю единичного значения последнего в данной схеме, будет отсутствовать.

К аддитивной составляющей погрешности  можно отнести напряжение смещения операционного усилителя, которое составляет 25 мкВ. Чтобы выразить аддитивную погрешность в относительных единицах, её абсолютное значение необходимо привести к диапазону входных напряжений операционного усилителя, который составляет 2.56

Следовательно, относительная аддитивная погрешность составляет

 

2. Фильтр низких частот.

Фильтр низких частот представляет собой два каскада фильтров 2-го порядка и один каскад 1-го порядка.

Мультипликативная погрешность в фильтре 2-го порядка будет отсутствовать, т.к. каскады фильтров охвачены 100%-й отрицательной обратной связью. В каскаде 1-го порядка мультипликативную погрешность можно оценить как:

Таким образом, мультипликативная  погрешность усилительного каскада  на операционном усилителе определяется лишь технологическими разбросами сопротивлений на входе каскада и в обратной связи. Эти сопротивления представлены резисторами с технологическим разбросом 0,1%, следовательно мультипликативная погрешность составит 0,2%.

Аддитивная погрешность будет определяться напряжением смещения операционных усилителей.

 

3. Погрешность выпрямителя.

Выпрямитель представляет собой два  каскада на операционных усилителях, следовательно, его погрешность  можно оценить по описанной выше методике. Так как выпрямитель имеет два каскада на ОУ, то

Аддитивная погрешность будет  также представлена напряжением  смещения операционного усилителя.

 

4. Погрешность УВХ.

К погрешности УВХ следует отнести  погрешность коэффициента усиления, которая составляет 0,01% и будет относиться к мультипликативной погрешности.

5. Погрешность ЦАП

а) погрешность квантования  δкв

б) дифференциальная нелинейность d_DNL=1 МЗР

Данная погрешность имеет случайный  характер, поэтому при расчете  суммарной погрешности ее учитывать не будем.

в) Погрешность шкалы для данного  ЦАП отсутствует.

Погрешность  ЦАП составит:       δЦАП=δкв=0.05%

Аддитивные погрешности каскадов на операционных усилителях устраняются  путем настройки балансировочных  резисторов, подключенных к входам балансировки ОУ. Для устранения мультипликативной погрешности каскадов, в обратную связь операционных усилителей включены дополнительные подстроечные резисторы. Их номиналы выбраны таким образом, что изменение их сопротивления от минимума до максимума позволяет произвести настройку как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения сопротивления обратной связи.

 

Рассчитаем основную погрешность  спроектированного устройства. В  результате анализа погрешностей выясняется, что достаточно ограничиться учётом погрешностей ЦАП и УВХ, так как остальные погрешности либо устраняются регулировкой, либо пренебрежимо малы.

 Аддитивные и мультипликативные погрешности складываются отдельно.

Просуммировав аддитивные и мультипликативные погрешности, получим значение коэффициента c, при X= X_max (d=0):

 

c = dadd +d_mult = 0,05

Коэффициент d находится следующим образом.

 

Из этого следует, что требование технического задания по погрешности  преобразования  выполняется.

 

 Заключение

В результате проведённой  работы был разработан аналого-цифровой преобразователь поразрядного уравновешивания с устройством выборки-хранения, автоматическим выбором пределом измерения, автоматической начальной предустановкой в исходное состояние и различными видами запуска (ручной, от внешнего генератора, от внутреннего генератора).

Все требования технического задания  в данном проекте были выполнены.

 

Список  литературы

 

1. Коломбет Е. А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991. – 376 с.: ил.
2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. – 304 с.: ил.
3. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.: ил.

4. Гитис Э. И., Пискулов Е. А. Аналого-цифровые преобразователи: Учебное пособие для вузов. –  М: Энергоатомиздат, 1981. – 360 с.: ил.
5. Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1981. – 335 с.: ил.
6. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.: ил.
7. У.Титце, К.Шенк Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер с нем. – М,:Мир 1982. 512 с., ил.
8. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С. Я. Якубовский, Л. И. Ниссельсон, В. И. Кулешова и др.; Под ред. С. Я. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1990. – 496 с.: ил.
9. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1991. – 622 с.: ил.
10. Аналоговые измерительные устройства: Учеб. пособие / В. Г. Гусев, А. В. Мулик; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 1996. – 147 с.: ил.
11. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы: Справочник / А. И. Аксёнов, А. В. Нефедов, А. М. Юшин; Под ред. А. И. Аксёнова. – М.: Радио и связь, 1993. – 135 с.: ил.
12. Мальцева М. А. и др. Основы цифровой техники/ Л. А. Мальцева, Э. М. Фромберг, В. С. Ямпольский. – М.: Радио и связь, 1986. – 128 с.: ил.
13. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство стандартов, 1992. – 316 с.: ил.
14. Аксенов А.И. Нефедов А. В.  Резисторы, конденсаторы, припои, флюсы: М.: “Солон-Р”, 2000.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение А

Основные параметры  используемых в схеме АЦП импортных  элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. OP37-E , Texas Instruments, США

Назначение: малошумящий, высокоскоростной, прецизионный операционный усилитель.

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	±15
Частота единичного усиления, МГц	60
Максимальное входное напряжение, В	±12
Напряжение смещения, мкВ	0.2
Сопротивление по синфазному сигналу, ГОм	3
Разность входных токов, нА	10
Коэффициент усиления по напряжению	1,8*106
Температурный коэффициент напряжения смещения, мкВ/°С	0.2
Температурный коэффициент разности входных токов, pA/°С	80

 

2. SHC804,  Burr-Brown США

Назначение : Законченное  высокоскоростное устройство выборки-хранения.

Параметр	Значение
Выходное напряжение	±15 В
Время установления	350 нс
Апертурная погрешность	15 нс
Коэффициент усиления	1
Напряжение питания	±15 В
Ширина полосы пропускания, МГц	1
Спад напряжения	0,5 мкВ/мкс

 

3. MAX962, MAXIM, США

Назначение: сдвоенный, высокоскоростной компаратор напряжения с диапазоном входных напряжений, превышающим питающие напряжения.

Параметр	Значение
Количество компараторов в одном  корпусе	2
Время задержки	4,5 нс
Выходное напряжение	0..4,5В
Гистерезис	3,5 мВ
Напряжение питания	5В
Уровни цифровых сигналов	ТТЛ

 

4. AD568 , Analog Device, США

Назначение: 12-ти разрядный, высокоскоростной цифро-аналоговый преобразователь  с токовым выходом.

Параметр	Значение
Время установления до 1 МЗР	35 нс
Максимальный выходной ток	10,24 мА
Нелинейность	±0,5 МЗР
Дифф. Нелинейность	±1 МЗР
Диапазон рабочих температур	-55°С;+ 125°С
Уровни цифровых сигналов	ТТЛ

 

 

5. AM2504 , AMD, США

Назначение: 12-ти разрядный  регистр последовательных приближений.

Параметр	Значение
Число разрядов	12
Максимальная тактовая частота	25 МГц
Логические уровни	ТТЛ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение Б

Перечень использованных компонентов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение В

АЦП поразрядного уравновешивания  с устройством выборки хранения

Схема электрическая принципиальная