Исследование аналого-цифрового преобразователя с помощью Elvis

Алгоритм работы аналого-цифрового преобразователя. USB программатор, его функции. Расчет себестоимости изготовления стенда для исследования преобразователя. Схема расположения компонентов макетной платы. Выбор микроконтроллера, составление программы.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Цель настоящей работы исследование процессов протекающих в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) с помощью комплекта виртуальных измерительных приборов для учебных лабораторий «NI ELVIS». В качестве исследуемого АЦП разработан лабораторный стенд. Для конкретизации поставленных выше целей определим актуальность поставленной задачи, а именно исследование аналого-цифрового преобразования с помощью «NI ELVIS», а также кратко опишем АЦП как электронное устройство.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).

Как правило, АЦП - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Надо отметить, что процесс аналого-цифрового преобразование используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме, например:

АЦП являются составной частью систем сбора данных.

Быстрые видео АЦП используются, например, в ТВ-тюнерах (это параллельные и конвеерные АЦП).

Медленные встроенные 8, 10, 12 или 16-битные АЦП часто входят в состав микроконтроллеров (как правило они строятся по принципу поразрядного уравновешивания, точность их невысока).

Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (параллельные и конвеерные).

Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта АЦП).

АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором цифровой обработки сигналов (ЦОС) в качестве демодулятора.

Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в антенных решётках РЛС.

Технология виртуальных инструментов «NI ELVIS» объединяет технические средства измерения и управления, прикладное программное обеспечение и стандартные промышленные компьютерные технологии с целью создания измерительных, тестовых, управляющих и других технических систем, функциональность которых определяется пользователем. Следовательно построение АЦП на платформе «NI ELVIS» дает ряд преимуществ в отличи от классического лабораторного стенда.

Предоставляет студенту гибкость, необходимую для модернизации стенда.

Экономичное использование стенда - компоненты стенда построенные на основе технологии виртуальных инструментов, могут быть использованы многократно в различных модификациях АЦП без приобретения дополнительных аппаратных средств и программного обеспечения.

Модульный характер технологии виртуальных приборов позволит с легкость добавлять новые функциональные возможности в создаваемый лабораторный стенд.

Лабораторный стенд не будет нагружен измерительными приборами так как «NI ELVIS» обладает функциональными возможностями комплекта привычных измерительных приборов. Виртуальные приборы строятся в среде LabVIEW и их показатели можно наблюдать на мониторе персонального компьютера, который подключен к комплекту виртуальных измерительных приборов.

Все эти преимущества сделают процесс обучения студентов более доступным, легким и прогрессивным.

1. ОПИСАНИЕ АНАЛОГОВ

1.1 Обзор существующих АЦП

1. АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логический шифратор, генерирующий бинарный цифровой код в зависимости от количества логических единиц, присутствующих на его входе. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре, и, в общем случае, частота дискретизации АЦП может зависеть лишь от аппаратных характеристик логических и аналоговых элементов, а также от частоты требуемой выборки значений.

Рисунок 1 - Параллельный АЦП

Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как влекут за собой большие аппаратные затраты. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.

2. Последовательно-параллельные АЦП сохраняя высокое быстродействие позволяет значительно уменьшить количество компараторов, требующееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Содержат в своем составе два - три параллельных АЦП. Второй АЦП служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в последовательно-параллельных АЦП применяется конвейерная работа параллельных АЦП.

Рисунок 2 - Двухступенчатый АЦП

3. АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N - разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше.

4. АЦП дифференциального кодирования (англ. delta-encoded ADC) содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. В худшем случае время преобразования равно Tmax=(2q)/fс, где q - разрядность АЦП, fс - частота тактового генератора счётчика. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход: дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает в случаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики.

5. АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП, также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает до некоторого уровня, затем быстро спадает до нуля. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.

6. АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T - период тактового генератора, N - константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. Можно показать, что количество импульсов n, посчитанное за время разряда, равно: n=UвхN(RI0)?1, где Uвх - входное напряжение АЦП, N - число импульсов этапа накопления (определено выше), R - сопротивление резистора, преобразующего входное напряжение в ток, I0 - значение тока от генератора стабильного тока, разряжающего интегратор на втором этапе. Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы (прежде всего, ёмкость конденсатора интегратора) не входят в итоговое выражение. Это является следствием двухстадийности процесса: погрешности, введённые на первом и втором этапах, взаимно вычитаются. Не предъявляются жёсткие требования даже к долговременной стабильности тактового генератора и напряжению смещения компаратора: эти параметры должны быть стабильны лишь кратковременно, то есть в течение каждого преобразования (не более 2TN). Фактически, принцип двухстадийного интегрирования позволяет напрямую преобразовывать отношение двух аналоговых величин (входного и образцового тока) в отношение числовых кодов (n и N в терминах, определённых выше) практически без внесения дополнительных ошибок. Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей, нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования. АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности.

7. Конвейерные АЦП используют два или более шага-поддиапазона. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код).

Рисунок 3 - Конвеерный АЦП

На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения. АЦП этого типа быстры, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса.

8. АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов. Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота. Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.

9. Сигма-дельта-АЦП (называемые также дельта-сигма АЦП) производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путём фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.

Рисунок 4 - Сигма-дельта АЦП

Обзор устройств для сбора данных

Системы сбора данных принимают, обрабатывают и анализируют сигналы от реальных физических объектов. Свет, температура, давление, крутящий момент - вот примеры различных типов сигналов, которые могут быть

измерены. Сбор данных - это процесс измерения электрических сигналов,

поступающих от сенсоров, датчиков или преобразователей и ввод

результатов измерения в компьютер для обработки. В системах сбора

данных может также производиться вывод аналоговых или цифровых

сигналов управления. Обычно система сбора данных (DAQ-система) состоит из следующих компонентов:

Первичный измерительный преобразователь (датчик) - устройство,

которое преобразует физическую величину, такую, как свет,

температура, давление или звук в электрический сигнал, например в

электрическое напряжение или ток, который может быть сравнительно

Сигнал - результат преобразования физической величины датчиком.

Устройства кондиционирования (промежуточного, дополнительного

преобразования) сигналов - технические средства, которые могут быть

подключены к измерительному прибору для того, чтобы сигнал

удобнее было измерять, чтобы увеличить точность измерений или уменьшить шум. Основные виды кондиционирования сигналов - это

усиление, возбуждение, линеаризация, развязка и фильтрация.

Аппаратура DAQ - аппаратные средства, используемые для получения,

сбора и обработки данных.

Программное обеспечение - программные средства корпорации NI,

специально разработанные для упрощения проектирования и

программирования прикладных измерительных и управляющих систем,

приложения для управления приборами и измерения сигналов. На рисунке 5 изображены компоненты типовой системы сбора данных.

Рисунок 5 - Типовая система сбора данных

Функциональные возможности набора типовых лабораторных измерительных приборов в NI ELVIS реализованы на основе многофункционального устройства ввода-вывода (DAQ), специальной настольной рабочей станции, макетной платы и программ, разработанных в среде LabVIEW.

В настольную рабочую станцию NI ELVIS встроены аппаратно реализованные функциональный генератор и регулируемые блоки питания. А спроектированные в LabVIEW лицевые панели (Soft Front Panel - SFP) измерительных приборов объединяют функциональность DAQ-устройства (модуля ввода-вывода) и рабочей станции NI ELVIS, предоставляя возможность работы со следующими приборами:

Генератором сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator - ARB)

Анализатором амплитудно- и фазочастотных характеристик (Bode Analyzer)

Устройством чтения с цифровой шины (Digital Bus Reader)

Устройством записи на цифровую шину (Digital Bus Writer)

Цифровым мультиметром (Digital Multimeter - DMM)

Анализатором спектра (Dynamic Signal Analyzer - DSA)

Функциональным генератором сигналов (Function Generator - FGEN)

Анализатором импеданса (Impedance Analyzer)

Осциллографом (Oscilloscope - Scope)

Анализатором вольтамперной характеристики двухполюсников (Two-Wire Current Voltage Analyzer)

Анализатором вольтамперной характеристики четырехполюсников (Three-Wire Current Voltage Analyzer)

Регулируемыми источниками питания (Variable Power Supplies)

Кроме перечисленных приборов, в NI ELVIS имеется набор высокоуровневых функций LabVIEW, которые можно использовать для усовершенствования средств отображения данных и организации экспериментов, а также для управления рабочей станцией NI ELVIS из LabVIEW.

2. ОПИСАНИЕ ПРОЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ

Проектируемым изделием выбран лабораторный стенд аналого-цифрового преобразователя. Лабораторный стенд выполнен на основе системы «NI ELVIS».

Рисунок 6 - Схема размещения компонентов системы NI ELVIS на базе настольного компьютера: 1 - Настольный компьютер; 2 - DAQ-устройство серии М с 68 контактным разъемом; 3 - Экранированный кабель для устройств серии М; 4 - Макетная плата; 5 - Настольная рабочая станция NI ELVIS

Настольная рабочая станция NI ELVIS:

Настольная рабочая станция и DAQ-устройство (модуль ввода-вывода) вместе образуют завершенную лабораторную установку. Рабочая станция обеспечивает подключение исследуемых объектов и определяет функциональность лабораторной установки. На панели управления станции расположены простые органы управления функциональным генератором и регулируемыми блоками питания, а также удобные средства подключения к осциллографу и цифровому мультиметру NI ELVIS - BNC-разъемы и разъемы штекерного типа. Программное обеспечение NI ELVIS маршрутизирует сигналы в настольной рабочей станции между приборами. Например, выходной сигнал функционального генератора может быть направлен на определенный канал модуля ввода-вывода и, в конечном счете, этот сигнал окажется на нужном канале осциллографа NI ELVIS. Рабочая станция содержит также плату защиты, предохраняющую модуль ввода-вывода от повреждений, которые могут случиться при ошибочных действиях с лабораторным оборудованием.

Аналого-цифровой преобразователь собран непосредственно на макетной плате NI ELVIS. Макетная плата NI ELVIS устанавливается в настольную рабочую станцию и предназначена для монтажа электронной схемы и подключения ее через соответствующие разъемы к приборам. С одной рабочей станцией можно использовать несколько сменных макетных плат. Макетная плата подключается к рабочей станции с помощью стандартного разъёма PCI, поэтому вы можете разрабатывать собственные печатные платы и подключать их к NI ELVIS. Все входные и выходные разъёмы NI ELVIS представлены по обеим сторонам зоны макетирования рядами коммутационных гнезд и могут быть использованы для подключения. Каждому сигналу соответствует "строка" гнезд, причём гнезда сгруппированы в соответствии с их функциональным назначением.

На рисунке 7 приведена схема расположения компонентов макетной платы.

Рисунок 7 - Схема расположения компонентов макетной платы

1 Гнезда аналоговых входов, осциллографа и гнезда линий ввода/вывода с программируемыми функциями

2 Гнезда цифрового ввода/вывода

3 Группа индикаторов

4 Разъем типа D-Sub

5 Гнезда счетчика-таймера, пользовательских линий ввода/вывода и источника питания постоянного тока

6 Гнезда мультиметра, аналоговых выходов, функционального генератора, пользовательских линий ввода/вывода, регулируемых источников питания и источников питания постоянного тока

7 Индикаторы питания

9 Разъёмы штекерного типа

Аналого-цифровой преобразователь собран по схеме - последовательного приближения. Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105. 106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц .

Структурная схема и временны диаграммы АЦП последовательного приближения представлены на рисунке 8.

Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рисунок 8а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому напряжение Uос на выходе ЦАП (рисунок 8б)

Рисунок 8 - Структурная схема и временные диаграммы АЦП последовательного приближения

где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток

таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рисунка 8б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст. ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения tз. Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fтакт возможно уменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.

Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

Рисунок 9 - структурная схема лабораторного стенда АЦП

3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Структурная схема

На рисунке 9 приведены основные компоненты лабораторного стенда АЦП. На структурной схеме персональный компьютер и плата сопряжения выделены в два отдельных блока, но на практике плата сопряжения (плата сбора данных) установлена в системном блоке (шина PCI). Также под блоком «Плата NI ELVIS» следует рассматривать как сам комплект измерительных приборов NI ELVIS, так и макетную плату на которой собран АЦП.

3.2 Описание структурной схемы

1 ПК (персональный компьютер). Интерфейс ПК позволяет отслеживать, измерять, а также корректировать параметры АЦП в реальном времени. Так как комплект NI ELVIS является законченным аппаратным устройством, он не предъявляет высоких требований. В NI ELVIS используется программное обеспечение, разработанное в среде LabVIEW которое требует от ПК следущии минимальные системные требования:

Процессор - Pentium 4/M или аналог

Оперативная память - 512 MB (Мегабайт)

Видеокарта поддерживающая разрешение 1024х768

Свободное пространство на диске - 1 GB (Гигабайт)

Браузер Internet Explorer 5.0 или более поздней версии

2 Плата сопряжения (плата сбора данных) в данной конфигурации используется плата NI 6221 М - серии она является не дорогой платой сбора данных, предназначена для приложений, в которых определяющим фактором является стоимость устройств. Внешний вид платы NI 6221 представлен на рисунке 10, технические характеристики приведены в таблице 1.