Сигма-дельта АЦП
АЦП багатотактного интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают багатотактнимы. Например, 13-разрядный AD7550 выполняет преобразование в четыре такта. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входящий сигнал. Это ухудшает завадостийкисни свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП багатотактного интегрирования должен иметь достаточно большое количество внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, которое преобразователь занимает на плате и, как следствие, усиливает влияние помех
Эти недостатки во многом устранены в конструкции сигма-дельта АЦП (в ранней литературе эти преобразователи назывались АЦП с уравновешивания или балансом зарядов). Своим названием эти преобразователи обязаны наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции - S) и интегратора (обозначение операции - D). Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, что позволяет уменьшить погрешность, внесенную шумами, а значит увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов измерения на большом диапазоне времени
Рис.14 Структурная схема сигма-дельта модулятора
Основные узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 14. Работа этой схемы основана на вычитании от входного сигнала U вх (t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разница интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот
Порядок модулятора определяется количеством интеграторов и сумматоре в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоре и N интеграторов и обеспечивают больше соотношение сигнал / шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Примерами сигма-дельта модуляторов высокого порядка является одноканальный AD7720 седьмого порядка и двохканальный ADMOD79 пятого порядка
Рис.15 Структурная схема сигма-дельта АЦП
Наиболее широко в составе ИМС используются однобитных сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП - аналоговый коммутатор (рис. 15). Принцип действия пояснений в табл. 2 на примере преобразования входного сигнала, равного 0,6 В, при U оп = 1 В. Пусть постоянная времени интегрирования интегратора численно равен периоду тактовых импульсов. Таблица 2 В тактовые периоды 2 и 7 состояния системы идентичны, так как при неизменном входном сигнале U вх = 0,6 В цикл работы занимает пять тактовых периодов. Усреднение выходного сигнала ЦАП за цикл действительно дает величину напряжения 0,6 В: (1-1 +1 +1 +1) / 5 = 0,6. Для формирования выходного кода такого преобразователя необходимо каким-либо образом преобразовать последовательность бит на выходе компаратора в виде унитарного кода в последовательный или параллельный двоичный позиционный код. В простейшем случае это можно сделать с помощью двоичного счетчика. Возьмем в нашем примере 4-разрядный счетчик. Подсчет бит на выходе компаратор
а за 16-ти тактный цикл дает число 13. Несложно увидеть, что при U вх = 1 В на выходе компаратора всегда будет единица, дает за цикл число 16, т.е. переполнение счетчика. Наоборот, при U вх =- 1 В на выходе компаратора всегда будет ноль, дающий равен нулю содержимое счетчика в конце цикла. В случае, если U вх = 0 то, как это видно из табл. 2, результат отсчета за цикл составит 8 10 или 1000 2. Это значит, что исходное число АЦП представляется в смещенном коде. В рассмотренном примере верхняя граница полной шкалы составит 1111 2 или +7 10, а нижняя - 0000 2 или -8 10. При U вх = 0,6 В, как это видно из левой половины табл. 2, содержимое счетчика составит 1310 в смещенном коде, что соответствует 5. Учитывая, что 8 соответствует U вх = 1 В, найдем 5 * 1 / 8 = 0,625> 0,6 В. При использовании двоичного счетчика как преобразователь потока битов, поступающих с выхода компаратора, необходимо выделять фиксированный цикл преобразования, длительность которого равна произведению K л f такт. После его окончания должно происходить считывания результата, например, с помощью регистра и обнуления счетчика. В этом случае, учитывая завадостийкисних свойств сигма-дельта АЦП близки к АЦП багатотактного интегрирования. Более эффективным является с этой точки зрения применения в сигма-дельта АЦП цифровых фильтров с конечной длительностью переходных процессов В сигма-дельта АЦП обычно применяются цифровые фильтры с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) вида (sinx / x) 3. Передаточная функция такого фильтра в z-области определяется выражением где М - целое число, которое задается программно и равно отношению тактовой частоты модулятора к частоте отсчетов фильтра. (Частота виджликив - это частота, с которой обновляются данные), например, для АЦП AD7714 это число может принимать значения от 19 до 4000. В частотной области модуль передаточной функции фильтра На рис. 16 приведен график амплитудно-частотной характеристики цифрового фильтра, построенной согласно выражению (13) при f такт = 38,4 кГц и М = 192, что дает значение частоты отсчетов, которая совпадает с первой частотой режекции фильтра АЦП, f от = 50Гц . Сравнение этой АЧХ с АЧХ коэффициента подавления помех АЦП с двохкратним интегрированием (рис. 12) показывает значительно лучшие завадостийкисни свойства сигма-дельта АЦП. В то же время применение цифрового фильтра нижних частот в составе сигма-дельта АЦП вместо счетчика вызывает переходные процессы при изменении входного напряжения. Время установления цифровых фильтров с конечной длительностью переходных процессов, как следует из их названия, конечный и составляет для фильтра вида (sinx / x) 3 четыре периода частоты отсчетов, а при начальном обнулении фильтра - три периода. Это снижает быстродействие систем сбора данных на основе сигма-дельта АЦП. Поэтому выпускаются ИМС AD7730 и AD7731, оборудованные сложным цифровым фильтром, которые обеспечивают переключение каналов со временем установления 1 мс при сохранении эффективной разрядности не ниже 13 бит (так называемый Fast-Step режим). Конечно цифровой фильтр производится на том же кристалле, что и модулятор, но иногда они выпускаются в виде двух отдельных ИМС (например, AD1555 - модулятор четвертого порядка и AD1556 - цифровой фильтр). Рис.16АЧХ цифрового фильтра сигма-дельта АЦП Сравнение сигма-дельта АЦП с АЦП багатотактного интегрирования показывает значительные преимущества первого. Прежде всего, линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у АЦП багатотактного интегрирования равной стоимости. Это объясняется тем, что интегратор сигма-дельта АЦП работает в значительно более узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя, на котором построен интегратор, сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора в сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки пикофарад), так что этот конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИМС. Как следствие, сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, которую он занимает на плате, и снижает уровень шумов. В результате, например, 24-разрядный сигма-дельта АЦП AD7714 изготавливается в виде однокристальной ИМС в 24-выводном корпусе, потребляет 3 мВт мощности и стоит примерно 14 долларов США, а 18-разрядный АЦП восьмитактного интегрирования HI-7159 потребляет 75 мВт и стоит около 30 долларов. К тому же сигма-дельта АЦП начинает давать правильный результат через 3-4 отсчеты после скачкообразного изменения входного сигнала, при величине первой частоты режекции, равной 50 Гц, и 20-разрядном разрешении составляет 60-80 мс, а минимальное время преобразования АЦП HI -7159 для 18-разрядного разрешения и той же частоты режекции составляет 140 мс. В настоящее время ряд ведущих по аналого-цифровой ИМС фирм, такие как Analog Devices и Burr-Brown, прекратили производство АЦП багатотактного интегрирования, полностью перейдя в области АЦ-преобразования высокого разрешения на сигма-дельта АЦП. Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеют развитую цифровую часть, включающую микроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего процессора U вх = 0,6 В U вх = 0 В N такта U S, В U и, В U к, бит U ЦАП, В N такта U S, В U и, В U к, бит U ЦАП, В 1 0,6 0,6 1 1 1 1 1 1 1 2 -0,4 0,2 1 1 2 -1 0 0 -1 3 -0,4 -0,2 0 -1 3 1 1 1 1 4 1,6 1,4 1 1 4 -1 0 0 -1 5 -0,4 1,0 1 1 5 1 1 1 1 6 -0,4 0,6 1 1 6 -1 0 0 -1 7 -0,4 0,2 1 1 7 1 1 1 1 8 -0,4 -0,2 0 -1 8 -1 0 0 -1 9 1,6 1,4 1 1 9 1 1 1 1 10 -0,4 1,0 1 1 10 -1 0 0 -1 11 -0,4 0,6 1 1 11 1 1 1 1 12 -0,4 0,2 1 1 12 -1 0 0 -1 13 -0,4 -0,2 0 -1 13 1 1 1 1 14 1,6 1,4 1 1 14 -1 0 0 -1 15 -0,4 1,0 1 1 15 1 1 1 1 16 -0,4 0,6 1 1 16 -1 0 0 -1 
(13) 
