Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

вом импульсе РПП выдаст сигнал 1100 0000. Для случая, представленного на рис. 1.14 во втором старшем разряде будет записан 0. При третьем тактовом импульсе по такому же принципу будет записана 1 в 3-м разряде, и т.д.

Количество операций получения одного дискретного значения пропорционально разрядности n – этим определяется основное преимущество данной схемы – быстродействие. Естественно, что в

Рис. 1.14. Временная диаграмма АЦП процессе преобразования в преде-

с поразрядным уравновешиванием лах одного шага оцифровки сиг-

нал должен изменяться незначительно. Для повышения надежности необходимо применять устройство выборки/хранения (см. разд. 2).

АЦП параллельного преобразования. Одна из наиболее бы-

стродействующих схем АЦП параллельного типа представлена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Структурная схема параллельного АЦП

20

n

АЦП содержит делитель напряжения ДН, задающий 2 –1 уровней квантования. С делителя напряжения потенциалы, соответствующие каждому уровню квантования подаются на входы 1 соответствующих компараторов. Входной сигнал Uвх подается на входы 2 тех же компараторов. Сравнение аналогового сигнала произво-

дится одновременно со всеми уровнями квантования напряжения

n

2 –1; где n – разрядность АЦП. Так, для 8-ми разрядов это 255, а для 16 – 65535 элементов. Поэтому для данной схемы характерна сложность изготовления, а отсюда и высокая стоимость.

На выходе цепочки компараторов устанавливается N логических «1» или «0», т.е. N – количество уровней квантования, соответст-

вующих входному напряжению: Uвх = Uмзр N, а Uмзр = Uмах/(2n – 1) – минимальный уровень квантования (равный одному младшему значащему разряду). Преобразователь кода (ПК) принимает комбинацию 2n–1 сигналов «1» или «0» и формирует на их основе в двоичном коде. Появление первых изменений сигнала на выходе ПК происходит быстрее процессов установления стабильного состояния, определяемых неидеальностью элементов. Например, «0» – у уровню сигнала соответствует 0–0,3 В, «1» – 2,7–3 В, а значения напряжения между этими пределами – состоянию «неопределенно». Поэтому используется внешний сигнал «запись», срабатывающий по истечении времени преобразования, с целью сохранения стабильных установившихся значений данных.

На практике, для достижения высокого разрешения, используют несколько параллельных АЦП (последовательно-параллельные АЦП) по причине дороговизны многоразрядных схем. В этом случае, одна схема проводит грубую оцифровку, а вторая определяет значение аналогового сигнала более точно.

Основные метрологические характеристики АЦП. Погреш-

ность между напряжением и полученным цифровым эквивалентом определяется двумя составляющими: дискретизацией и квантованием. Шифрование не вносит искажений. Погрешность дискретизации можно свести к пренебрежимо малой величине при выполнении условия: частота дискретизации вдвое больше максимальной частоты в спектре «неискаженного» аналогового сигнала, разложенного с помощью преобразования Фурье на суперпозицию гармонических функций (теорема Котельникова). Погрешность кван-

21

тования определяется квантовым шумом, который по модулю меньше половины абсолютной разрешающей способности (т.е. шага квантования). Это является характерной особенностью преобразования непрерывной функции в дискретную. Поэтому погрешность может быть уменьшена только увеличением разрядности АЦП.

Основные характеристики АЦП (в зависимости от назначения АЦП – точное или высокоскоростное измерение) делятся на:

1)СТАТИЧЕСКИЕ – при выполнении точных измерений;

2)ДИНАМИЧЕСКИЕ – при высокоскоростных измерениях. К статическим характеристикам АЦП относятся:

количество разрядов n (разрядность) – определяет количе-

n

ство уровней квантования (2 –1) и, как следствие, шаг квантования

иквантовый шум;

абсолютная разрешающая способность, также шаг квантования, или единица младшего значащего разряда (е.м.р.) – среднее изменение напряжения, эквивалентного повышению кода на двоичную 12, которая является единицей измерения остальных характеристик;

абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – определяется отклонением реальной передаточной характеристики от идеальной (оговоренной для данного прибора), то есть разницей (в е.м.р. или процентах) между максимальными напряжениями – аналоговым и эквивалентом двоичного кода;

напряжение смещения нуля – определяет максимальное значение входного напряжения, при котором АЦП выдает 02;

нелинейность – определяет изменение передаточной характеристики в целом. Отклонение реального значения напряжения от идеального, соответствующего цифровому коду, определяется отношением реального шага квантования к идеальному (строго одинаковому для всех шагов);

дифференциальная нелинейность – определяет изменение отдельных шагов квантования. Определяется разностью (в е.м.р. или %) реального шага квантования и идеального. По знаку этого параметра можно судить о монотонности передаточной характеристики;

22

динамический диапазон – отношение максимального и минимального входного напряжения, являющихся эквивалентами двоичного кода максимального числа («11…11»2) и минимального («00…01»2). Характеризует максимально достижимое на данном АЦП отношение сигнал/шум, при линейной передаточной характеристике.

К динамическим характеристикам АЦП относятся:

максимальная частота дискретизации – определяет максимальную частоту дискретизации, при которой сигнал будет восстановлен корректно по полученным на выходе АЦП двоичным кодам (см. погрешность дискретизации);

время преобразования – определяет время выхода схемы АЦП на стабильный режим при подаче на вход прямоугольного скачка напряжения.

Важнейшие метрологические характеристики АЦП.

1.Передаточная характеристика (характеристика квантования) связывает значение цифрового выходного кода преобразователя с входным значением аналогового сигнала с точностью до погрешности квантования (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Передаточная характеристика АЦП

23

2.Коэффициент передачи Kп характеризует усреднённый наклон передаточной характеристики и имеет размерность, определяемую как бит, делённый на размерность входного сигнала.

3.Погрешность коэффициента передачи Kп – величина, характеризующая отклонение среднего значения реального коэффициента передачи от идеального (т.е. фиксированного по всей шкале).

4.Погрешность смещения нуля Xсм.0 – погрешность, характеризующая параллельный сдвиг всей передаточной характеристики относительно идеальной при нулевом значении цифрового кода на выходе.

5.Нелинейность – относительное отклонение усреднённой (сглаженной) передаточной характеристики относительно идеальной прямой.

Сравнение разных типов АЦП. На рис. 1.17 показаны воз-

можности основных архитектур АЦП по разрешению в зависимости от частоты дискретизации. Таким образом, оценив частотный спектр и динамический диапазон сигнала, который необходимо оцифровывать, можно сделать приблизительный выбор наиболее подходящего типа АЦП. Промежуточное положение между АЦП последовательного и параллельного типа занимают последователь- но-параллельные АЦП (на рисунке не показаны) и применяются, когда необходим компромисс между быстродействием и ценой.

Рис. 1.17. Разрешение различных АЦП в зависимости от частоты дискретизации

24

Следует отметить достоинства и недостатки основных типов АЦП. Как уже отмечалось, наиболее быстродействующими из них являются АЦП параллельного типа. К главным их недостаткам следует отнести сложность изготовления, большую потребляемую мощность и дороговизну. Более просты в изготовлении, а следовательно, и дешевле (по сравнению с АЦП параллельного типа) по- следовательно-параллельные (многоступенчатые, многотактные и конвейерные). Но, к сожалению, они имеют и меньшее быстродействие. Наиболее простые и дешевые АЦП – последовательного типа (следящие, поразрядного уравновешивания). Хотя они могут иметь высокую разрядность, быстродействие их не высоко. Интегрирующие АЦП (двойного интегрирования, сигма-дельта АЦП) обладают высокой помехозащищенностью, имеют низкую стоимость, но быстродействие их также не высоко.

1.2.АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

ИЗАПИСЬ СИГНАЛОВ В ЭВМ

1.2.1. Структурная схема устройств преобразования и записи аналоговой информации в цифровую

Рассмотренные выше АЦП и ЦАП являются главными элементами при реализации функций преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме. Однако для успешной реализации указанной функции необходимо использовать еще ряд дополнительных важных элементов, без которых задачу решить нельзя.

На рис. 1.18 представлена типичная структурная схема канала преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме. Входной сигнал поступает на усилитель (обычно с задаваемым программно коэффициентом усиления). Это необходимо для расширения динамического диапазона измеряемых аналоговых сигналов. Далее усиленный сигнал подается на устройство выборки/хранения (УВХ). Основная функция УВХ – выборка в заданные моменты времени и фиксация текущего значения амплитуды входного сигнала, а также его хранение в течение всего цикла (шага дискретизации) преобразования в цифровую форму. Как правило, выборка осуществляется в начале шага дискретизации, а время вы-

25

борки обычно составляет примерно 1/10 от длительности шага дискретизации. Существуют две причины, вызывающие необходимость применения УВХ. Во-первых, АЦП работает не мгновенно, а требуется некоторое время для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Это время несколько меньше шага дискретизации. Во-вторых, за время преобразования аналоговый сигнал может изменяться (особенно для высокочастотных сигналов).

Рис. 1.18. Структурная схема канала преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме:

У– усилитель, УВХ – устройство выборки/хранения, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, СОЗУ – сверхоперативное запоминающее устройство,

И– интерфейс, ПК – персональный компьютер, ПО – программное обеспечение

Устройство выборки/хранения. Устройство в определенные моменты времени, определяемые тактовыми импульсами, выбирает из меняющегося аналогового сигнала мгновенные значения измеряемой величины и подает их на выход (в нашем случае – на вход АЦП) в виде постоянного сигнала в течение всего шага дискретизации. УВХ в упрощенном виде показано на рис. 1.19. Полевой транзистор 2N3819 позволяет конденсатору С зарядиться до мгновенного значения входного напряжения за очень короткое время в каждом импульсе выборки. В интервале между импульсами выборок ключ на полевом транзисторе разомкнут (транзистор заперт) и заряд удерживается на конденсаторе вследствие применения операционного усилителя с входными полевыми транзисторами, имеющими большое входное сопротивление. В готовых схемах выборки и хранения применяются специальные МОП-транзисторы с малым сопротивлением в открытом состоянии, обеспечивающие быстрый заряд/разряд, а также усилители с большим входным со-

26

противлением и малым смещением, чтобы избежать спада напряжения на конденсаторе за время хранения.

Рис. 1.19. Схема устройства выборки/хранения (УВХ)

Сверхоперативное запоминающее устройство. Одним из важных элементов устройства преобразования и записи аналоговой информации в цифровую форму является сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ). Особенно это важно при записи высокочастотных сигналов. Прямая запись данных в компьютер здесь не возможна из-за недостаточного быстродействия компаратора. Специальная организация памяти СОЗУ позволяет записывать информацию со скоростью 1 Гбайт/с и даже выше, что намного порядков выше скорости записи непосредственно в компьютер.

Интерфейс. Обмен информацией между СОЗУ и персональным компьютером (ПК), безусловно, требует использования специального интерфейса (И). Интерфейс должен удовлетворять, с одной стороны, требованиям, обычно предъявляемым при подключении внешних устройств к ПК, с другой – могут быть и специальные требования. Частично специфика работы устройств преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме может быть отражена в программном обеспечении (ПО).

27

Генератор тактовых импульсов. В рассматриваемых каналах должен быть предусмотрен высокостабильный генератор тактовых импульсов. Такой генератор необходим для синхронизации работы всех элементов канала преобразования и, в первую очередь, для задания шага дискретизации АЦП. Стабилизация частоты в таких генераторах обычно производится с помощью кварцевых элементов.

1.2.2.Стандартные платы АЦП

Внастоящее время имеется широкий набор средств цифровой обработки масс-спектральной информации. В первую очередь, это касается серийных плат АЦП, предназначенных для работы в составе ПК. Среди них есть и достаточно высокоскоростные и имеющие высокую разрядность преобразования. Для примера в табл. 1.2 представлены некоторые из выпускаемых в настоящее время плат АЦП двух ведущих российских производителей, таких, как центр АЦП ЗАО «Руднев–Шиляев» и L–Card. Также в таблице приведены параметры ультрабыстродействующей платы на шине PCI ЛА-н1PCI, низкочастотные прецизионные на шине PCI ЛА-1,5PCI-14, L-761, L-791 и среднего быстродействия на ши-

не PCI L-783.

Таблица 1.2

Основные характеристики серийных плат АЦП

В измерительной масс-спектрометрической технике, как следует из табл.1.2, указанные платы могут использоваться при решении следующих задач:

28

1)ЛА-н1PCI может успешно использоваться для регистрации масс-спектров во времяпролётных приборах;

2)ЛА-н1PCI в принципе, подходит для элементного анализа во времяпролётных приборах, однако их невысокая разрядность при этом требует применения специальных решений;

3)ЛА-1,5PCI-14, L-761, L-791 имеют достаточную точность преобразования, что позволяет использовать их в некоторых задачах для измерения изотопных отношений. Из-за невысокой скорости преобразования их применение ограничивается в основном статическими и квадрупольными масс-спектрометрами.

Кроме указанных, в ассортименте выпуска ЗАО «Руднев– Шиляев» есть и другие платы, применение которых возможно во времяпролетных приборах. Так, к ним можно отнести, например,

ЛА-н05.

Описание АЦП типа ЛА-н05. Плата предназначена для работы в составе ПК типа IBM PC/AT. Основное ее назначение – преобразование непрерывных (аналоговых) входных сигналов в цифровую форму, которая удобна для дальнейшей обработки сигнала при помощи ПК. Плата ЛА-н05 содержит следующие основные функциональные узлы: аналого-цифровой канал (АЦК); контроллер АЦП; схему синхронизации; внутреннее оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и интерфейс ввода/вывода ISA-16. Запуск АЦП производится как от схемы задания частоты дискретизации, работающей от внутреннего кварцевого генератора, так и от внешнего тактового генератора. Плата получает питание от компьютера по цепям ±5 В и ±12 В.

Основное назначение АЦК – преобразование исследуемого аналогового сигнала в цифровую форму, для его дальнейшей обработки на ПЭВМ. Аналоговый сигнал подается на входы каналов 0 и/или 1 (разъемы XP4 и XP3, рис. 1.20). АЦК содержит два синхронных 10-и разрядных АЦП и аттенюатор со схемой деления и усиления. Двухкаскадный аттенюатор на входе АЦП позволяет привести в соответствие диапазон входных напряжений платы к диапазону характеристики преобразования АЦП. Входное сопротивление платы – 50 Ом. Сигнал через схему защиты АЦП от перенапряжения поступает на двухкаскадный программируемый аттенюатор.

29