Кейт Коффи

Полезные сведения для пользователей АЦП

    Температура — наиболее часто измеряемый физический параметр, а ключевым элементом любой системы её измерения является АЦП. За последние годы АЦП превратились из базовых устройств, имеющих отдельные ограниченные диапазоны изменения входных сигналов, в более интегрированные, программируемые микросхемы, предлагающие несколько различных диапазонов измерения входных сигналов и программно конфигурируемые интерфейсы. Для разработчиков систем измерения температуры схем особенно важно понять, как развитие АЦП упрощает такие системы.

    В типичной системе измерения температуры термопара может быть удалена от базового блока на сотни метров, что делает её весьма восприимчивой к электромагнитным помехам, производимым индукционными двигателями, сетью переменного тока и другими источниками шума. Чтобы защитить датчики от этих воздействий, разработчики вводят в аппаратуру специальные схемы защиты, состоящие из резисторов, конденсаторов и диодов. Для минимизации погрешности измерений, связанной с протеканием токов смещения через защитные цепи, разработчики вынуждены использовать усилители с низким дрейфом параметров и малыми входными токами.

    Присутствующий в системе усилитель напряжения предназначен для усиления сигнала с выхода термопары, уровень которого не превышает 100 мВ, до уровня, считывание которого возможно с помощью АЦП. Так как типовое значение напряжения на входе АЦП составляет 2,5 В, усилитель должен иметь усиление от 25 до 100. После усиления до соответствующего уровня сигнал подается на вход АЦП, который на своём выходе генерирует цифровое слово, пропорциональное аналоговому сигналу. АЦП в такой системе принципиально необходим, так как он позволяет производить обработку и компенсацию сигналов термопары в цифровой области с помощью микроконтроллера. В этом случае система будет правильно отображать измеренную температуру. Заметим, что для компенсации нелинейности температурной характеристики термопары, цифровая часть большинства систем измерения температуры включает ПЗУ на основе поисковых таблиц, содержащее поправочные коэффициенты для каждого конкретного типа термопары.

    Когда АЦП впервые появились на рынке, их роль в системах измерения температуры сводилась к преобразованию сигнала высокого уровня (обычно 2,5 В) в цифровую форму для дальнейшей обработки микроконтроллером. Простые АЦП имеют последовательный выход, как правило, состоящий из калибровочных регистров, регистра преобразования данных и последовательного интерфейса. Управление функционирова-нием АЦП осуществляется через соответствующие выводы, и, в общем случае, существует только один внутренний регистр, доступный пользователю — регистр преобразования данных.

    Большинство АЦП первого поколения содержат встроенные функции коррекции ошибок непосредст-венно внутри АЦП (то есть ошибки смещения и усиления входной схемы АЦП). В общих словах, механизм калибровки обеспечивает встроенные функции АЦП для определения значения нулевой точки и наклона его передаточной функции. Самым распространённым принципом калибровки большинства АЦП первого поколения является самокалибровка. При этом измерение нуля передаточной функции АЦП производилось после соединения обоих его входов. После запоминания в регистре смещения этот параметр используется как нулевой отсчёт для будущих преобразований. Затем АЦП подключает свои входы к эталонному источнику напряжения, делает преобразование и вычисляет наклон передаточной функции по значениям двух точек — точки нуля и точки эталонного напряжения. Затем параметр записывается в регистр усиления и используется при работе как масштабный коэффициент.

Дельта-сигма АЦП второго поколения

    AЦП первого поколения имели разрядность от 8 до 16 бит. С тех пор наибольшее распространение получили 16-бит устройства с большим набором встроенных функций, таких как стандартный последовательный интерфейс. На рис. 1 показан последовательный порт АЦП второго поколения. Он содержит микроконтроллер, управляющий всеми функциями АЦП и стандартным последовательным интерфейсом, совместимым с интерфейсом SPI (последовательным интерфейсом периферийных устройств). Последовательный порт АЦП содержит регистр команд, регистр конфигурации, регистр преобразования данных (только на считывание) и регистры смещения и усиления для калибровки. 4 вывода последовательного интерфейса используются для связи АЦП с внешними устройствами.

Рис. 1

    АЦП первого поколения предлагали всего несколько встроенных функций, управляемых набором сигналов высокого или низкого уровня на соответствующих выводах интерфейса. АЦП второго поколения предлагают значительные преимущества по сравнению с первым, например, программируемую скорость преобразования. Например, микросхема CS5529 Cirrus Logic обеспечивает программируемую скорость преобразования, изменяющуюся в диапазоне от 1,88 до 101 Гц. При этом для изменения производительности системы с АЦП CS5509 пользователю требовалось подавать на него повышенную или пониженную внешнюю тактовую частоту (аппаратное изменение).

    Кроме того, АЦП второго поколения обеспечивают расширенный механизм калибровки. В дополнение к самокалибровке, когда АЦП самостоятельно определяет значения нуля и наклона своей передаточной функции, большинство АЦП второго поколения предлагают функцию системной калибровки. Эта функция позволяет пользователю определять значения точек нуля и максимума передаточной функции АЦП. Например, устройство CS5529 позволяет подавать на вход калибровочные сигналы любого уровня, лежащие в диапазоне от нуля до положительного напряжения питания, тем самым давая возможность пользователю определить передаточную функцию АЦП в любой точке между двумя напряжениями питания.

Дельта-сигма АЦП третьего поколения

    Некоторые АЦП третьего поколения содержат почти полное системное решение. Они включают мультиплексоры, измерительные усилители с малым дрейфом и низкими входными токами, программируемые усилители напряжения и расширенные последовательные порты. После того, как в большинство АЦП третьего поколения были введены измерительные усилители, стало возможным подключать температурный датчик непосредственно на вход АЦП. Следует иметь в виду, что большинство систем на основе термопар нуждается во входной защитной схеме, а значит требуется, чтобы усилитель имел малые входные токи. АЦП CS5521 производства компании Cirrus Logic включает стабилизированный измерительный усилитель с малым дрейфом (5 нВ/°C) и чрезвычайно низким входным током (IIN < 300 пА в диапазоне температур от -40 до +85°C). Заметим, что типовое значение входных токов АЦП второго поколения составляет от десятков до сотен нА.

Рис. 2

    Термопары различных типов имеют различную выходную чувствительность. На рис. 2 показана система измерения температуры, выполненная на микросхеме Cirrus Logic CS5521. Контроллер каналов АЦП может быть предварительно запрограммирован для возможности подключения термопар различных типов на разные входные каналы. Чтобы произвести считывание состояния определённой термопары, пользователю достаточно просто передать команду выбора канала, а контроллер каналов самостоятельно выберет калибровочные данные, соответствующие указанной термопаре, и произведёт преобразование. После этого оцифрованные данные записываются в модуль памяти FIFO, где они будут храниться, пока их не затребует микроконтроллер.

Ограничения на дельта-сигма АЦП при измерении постоянного напряжения

    Для получения максимальной производительности дельта-сигма АЦП используют метод передискретизации. Структурная схема дельта-сигма АЦП состоит из двух основных частей: дельта-сигма модулятора и цифрового фильтра. Основной функцией модулятора является получение избыточного количества отсчётов входного сигнала. Это позволяет подавить шумы квантования за счёт ограничения полосы пропускания и генерации высокоскоростного битового потока. Затем, для повышения точности преобразования, битовый поток обрабатывают с помощью цифрового фильтра.

Модулятор

    При разработке модулятора для дельта-сигма АЦП особое внимание должно быть уделено тому, чтобы он был свободен от паразитных тонов. Чувствительность модулятора к ним определяется величиной, называемой порядком модулятора. В дельта-сигма АЦП он определяется числом интеграторов в цепи обратной связи модулятора. Модулятор 1-го порядка имеет один интегратор. Модулятор 2-го порядка имеет два интегратора в петле обратной связи и так далее. Изначальная цель введения интеграторов в петлю обратной связи состояла в том, чтобы подавить шумы квантования, генерируемые в процессе преобразования. Для достаточного подавления шумов при разрядности от 12 до 14, в дельта-сигма АЦП включают не менее двух интеграторов (то есть, формируют модулятор 2-го порядка).

    Когда дельта-сигма АЦП впервые поступили на рынок, выяснилось, что они были весьма восприимчивы к паразитным тонам. За прошедшие годы разработчики опробовали различные методы борьбы с этим явлением. Некоторые производители включают такие методы в свои устройства, другие — нет, и их устройства демонстрируют тоны высоких уровней.

    Другой интересный факт относительно паразитных тонов — они не являются случайными. Это означает, что фильтр Sinc1 (простой фильтр/алгоритм осреднения) не может быть использован для подавления этого эффекта (то есть, подавить его не сможет никакая цифровая обработка). Что может быть сделано для уменьшения эффекта тонов? Лучше всего использовать дельта-сигма АЦП, содержащие модуляторы третьего порядка и выше, так как они наиболее эффективно упорядочивают битовый поток и минимизируют тоны, делая их практически незаметными.

Рис. 3

    Шумовые характеристики большинства модуляторов, встречающихся на рынке, также чувствительны к уровню входного напряжения. На рис. 3 представлена зависимость среднеквадратичного шума микросхемы ADS1210 от входного напряжения. Как следует из рис. 3, шумовая характеристика АЦП имеет приблизительно 10-кратный подъём на краях диапазона входных напряжений относительно нулевого значения. Наилучшим можно считать устройство, имеющее шумовую характеристику, не зависящую от уровня входного сигнала (рис. 4). Микросхемы АЦП производства компании Cirrus Logic используют собственные оригинальные методы достижения таких характеристик.

Рис. 4

Цифровой фильтр

    Назначение цифрового фильтра для разных дельта-сигма АЦП различно. У одних фильтров оно состоит в том, чтобы обеспечить хорошую линейность, у других — сглаживание ступенек. Чтобы не допустить появления ступенек, приходится жертвовать временем, равным периоду установления сигнала. Например, микросхема Cirrus Logic CS5501 имеет прекрасные характеристики сглаживания. Однако, чтобы отработать входной ступенчатый сигнал с максимально допустимым размахом с предельной точностью, необходимо проигнорировать 5 или более отсчётов с момента прихода сигнала на вход устройства. В многоканальных приложениях это может представлять серьёзную проблему, так как пагубно отразится на эффективной производительности АЦП. Другим общим требованием к цифровым фильтрам дельта-сигма АЦП является режекция сигналов с частотой 50 и 60 Гц. Самым распространенным фильтром, используемым в большинстве архитектур дельта-сигма АЦП, является фильтр Sinc3. Это очень эффективный и относительно недорогой фильтр (то есть, он требует для реализации совсем небольшой площади на кристалле кремния). Выбор частоты подавления 50 или 60 Гц может осуществляться программно. Более сложные цифровые фильтры, подобные применённым в микросхеме Cirrus Logic CS5522, одновременно с сигналами 50 и 60 Гц могут подавлять достаточное количество других нежелательных сигналов.

CIE, май 1999 г.