Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровое преобразование - это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, которое выполняет такое преобразование. Формально входным значением АЦП может быть абсолютно любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.д.

Сигма-дельта АЦП состоит из двух частей: модулятор и цифровой ФНЧ, при этом модулятор преобразует входное напряжение Uвх в последовательность импульсов, а ФНЧ формирует выходной код.

Принцип работы Сигма-дельта АЦП отличается от других типов АЦП своей сложностью. Его суть заключается в сравнении входного напряжения с указанным значением, которое накапливается интегратором. Вход интегратора получает импульсы положительной или отрицательной полярности в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему, где напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение.

Целью данной работы является изучение схем и принципов действия сигма-дельта АЦП.

Для достижения данной цели, необходимо решить следующие задачи, такие как:

Рассмотреть основные характеристики АЦП.

Проанализировать сигма-дельта преобразователи АЦП.

1. Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования зачастую выражается в отсчетах в секунду, разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). В то же время следует отметить, что чем выше скорость и разрядность, тем сложнее получить требуемые характеристики, а также тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность определенным образом взаимосвязаны друг с другом, и в то же время, жертвуя скоростью, вы можете увеличить эффективную разрядность преобразования.

2. Сигма-дельта преобразователи АЦП

Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи высокого разрешения, которые обладают значительными преимуществами, если сравнивать их с многоразрядными АЦП других типов. В новейших технологиях стало возможным создание АЦП в виде однокристальной интегральной схемы (ИС) с потребляемой мощностью в несколько милливатт и без внешних компонентов.

Компания Texas Instruments, один из ведущих мировых производителей интегральных схем сигма-дельта АЦП, имеет разнообразную линейку продуктов, включающую более 50 продуктов, каждый из которых обеспечивает высокие характеристики при низкой стоимости.

Сигма-дельта АЦП относятся к классу интегрирующих и предназначены, в основном, для применения в высокоточных измерительных устройствах. Название «сигма-дельта» связано с наличием в данном АЦП сумматора (Σ) и интегратора (Δ).

В сигма-дельта АЦП были устранены основные недостатки многоразрядных АЦП двойного и многократного интегрирования, а именно: существенная интегральная нелинейность, обусловленная переходной характеристикой операционного усилителя интегратора, низкое помехоподавление, связанное с тем, что значительную часть времени цикла преобразования АЦП многократного интегрирования не принимает входной сигнал, и, наконец, немалое число внешних элементов — резисторов и высококачественных конденсаторов большой емкости. Принципы работы сигма-дельта АЦП подробно изложены в различной литературе и, в частности, превосходном издании. Основой сигма-дельта АЦП является сигма-дельта модулятор (СДМ), структурная схема СДМ первого порядка приведена на рис. 1.

Texas Instruments. Amplifier and Data Converter Selection Guide. 3Q 2006.

Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. М.: Издательский дом «Додэка-XXI». 2005. – 155с.

Голуб В.С. Сигма-дельта-модуляторы и АЦП – «Технология и конструирование в электронной аппаратуре», №4. – 2003 с. 35-41.

Никамин В.А. Аналого – цифровые и цифро – аналоговые преобразователи. Справочник. – М.: «Альтекс-А» – 2003. – 224с.

Райс В. Как работают аналогово-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП? – «Компоненты и технологии», № 3. – 2015. – 6с.

Теплов В.Ю., Хуснутдинова А.В., Латыпов Р.Р., Скворцов И.В., Д.В. Коротышкин. Сигма дельта АЦП/ В.Ю. Теплов, А.В. Хуснутдинова, Р.Р. Латыпов, И.В. Скворцов, Д.В. Коротышкин.- Казань: Казан. ун-т, 2015.- 44 с.

Шахнович И. Сигма-дельта АЦП архитектура, принципы, компоненты. «Электроника: Наука, Технология, Бизнес» №4. – 2006 с. 18-22.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 2. М.: «Мир», 1983.- 185с.

Datasheet AD7705-TI,2006, -24c.

Sigma-Delta (S-D) A/D Converters // New Product Applications - 1999, winter edition. - Analog Devices, 1998, рp. 3-113 – 3-143.

Application Note AN-283: Sigma-Delta ADCs and DACs // Applications Reference Manual. - Analog Devices, 1993, рp. 20-3 – 20-18.

Texas Instruments. A Glossary of Analog-to-Digital Specifications and Performance Characteristics. Application Report SBAA147-August 2006.-750с.

W. Kester ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics MT-022 TU- TORIAL. Analog Devices, Inc. Rev.A, 10/08, 12р.