CC BY
180
УДК 621-391
СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП В.П. Литвиненко, А.С. Тогушов, Н.П. Левкин
Рассматриваются ключевые понятия преобразования аналоговых сигналов в 8 канальном сигма-дельта АЦП в однопроводном и дифференциальном режимах в составе 16-разрядного микроконвертора 1874ВЕ96Т
Ключевые слова: интегральная схема, полная шкала, разрядность, дифференциальный вход
В этой статье представлен доработанный первый российский 16-разрядный микроконвертер 1874ВЕ96Т [1], разработанный в 2011 г. во ФГУП «НИИЭТ» г. Воронеж, на базе оригинального процессорного ядра с конвейерной обработкой данных и усовершенствованной архитектурой MCS-96, в который интегрированы стандартные процессорные ядра, флэш-память (16Кх16), модули генерации ШИМ, сторожевой таймер с использованием 8канального 16-разрядного сигма-дельта-АЦП с параллельным преобразованием и 14-разрядным высокоскоростным ЦАП с токовым выходом (2...20 мА). ИС реализован на одном кристалле и имеет расширенный диапазон рабочих температур среды (-60^125) °С. Структурная схема ИС 1874ВЕ96Т показана на рис. 1.
Рис. 1
Общие характеристики, особенности архитектуры, периферийные устройства микросхемы опубликованы в статье [1]. Данная статья посвящена работе 16-разрядного сигма-дельта-АЦП, встроенному в данный микроконвертер.
Сигма-дельта-АЦП состоят из сигма-дельтамодулятора и цифрового преобразователя - деци-мирующего цифрового фильтра. В данном типе АЦП преобразуемый сигнал сначала квантуется (в модуляторе), а затем дискретизируется (в преобразователе) [3].
Литвиненко Владимир Петрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 271-44-57
Тогушов Александр Сергеевич - ВГТУ, инженер, тел. (473) 268-66-25
Левкин Николай Павлович - НИИЭТ, ведущий инженер, тел. 8-908-139-6299
Аналого-цифровые преобразователи конвертируют аналоговые напряжения на входе в цифровой эквивалент. Минимальное время преобразования составляет 16 мкс. Особенностью данного АЦП является возможность организации дифференциального режима включения входов.
Поскольку каждый преобразователь управляется независимо, то можно реализовать различные варианты включений, например: два АЦП — в режиме дифференциального включения, четыре — в режиме однополярных сигналов. Единственное условие, чтобы общее количество выводов, с которыми работают преобразователи, не превышало восьми.
АЦП имеет блок цифровых компараторов, позволяющих сравнивать результаты непрерывного аналого-цифрового преобразования с граничными условиями без использования ресурсов центрального процессора. Блок вырабатывает прерывания, если: результат преобразования больше заданной границы; результат преобразования меньше заданной границы; результат преобразования выходит за границы заданного диапазона; результат преобразования попадает в границы заданного диапазона. Все границы указываются в соответствующих регистрах. Цифровые компараторы объединены в группы по четыре, и каждый имеет свой приоритет. Для срабатывания компаратора с меньшим приоритетом необходимо, чтобы условие с большим приоритетом не сработало. Это позволяет на аппаратном уровне реализовывать сложные следящие алгоритмы.
В ходе разработке конструкции была проведена работа по унификации параметров сигма-дельта-АЦП, таких как SINAD (соотношение сиг-нал/шум+искажения), THD (общие гармонические искажения), коэффициент преобразования, напряжение диапазона преобразования АЦП, соотношения режимных параметров установленных и подтвержденных в ходе проведенных исследований ИС.
Высокая точность аналого-цифрового преобразования, осуществляемого в сигма-дельта-АЦП, обусловлена, прежде всего, возможностью получения высокой разрядности и линейности преобразования без применения многоуровневых пороговых устройств с эффективной фильтрацией преобразуемого сигнала.
Описания сигма-дельта-АЦП публикуются, в основном, фирмами-производителями. Ведущими в этой области является фирма Analog Devices. Ниже
приведены основные характеристики режимных параметров преобразования сигма-дельта-АЦП ИС 1874ВЕ96Т, с использованием юстированных определений и обозначений параметров, необходимых для потребителей, с учетом [2].
Структурная схема работы каналов приведена на рис.2.
Н80_Соттпа<3 ADCRA ADCRH
Рис. 2
Системный сигнал синхронизации поступает на тактовый вход АЦП и делится в 1, 2, 3, 4 или 5 раз для формирования внутреннего опорного тактового сигнала DMCLK, используемого для вычисления значений выборки.
Преобразуемый сигнал поступает на согласующую схему канала, обеспечивающую ограничение уровня и выбор полярности сигнала. Далее, сигнал поступает на усилитель с программируемым коэффициентом усиления, в диапазоне от 0 до 38 дБ, и, далее - на сигма-дельта модулятор с децима-тором. Цифровой фильтр выполняет две важные функции. Во-первых, это перемещение шума квантования за пределы требуемой полосы частот, который сформирован аналоговым модулятором, и, во-вторых, это прореживание потока битов высокой частоты до более низкой частоты 15-битных слов.
Сглаживающий прореживающий фильтр -это цифровой фильтр с характеристикой в форме sinc3, который понижает частоту дискретизации на значение, заданное в регистре управления. Делитель прореживания позволяет пользователю гибко подстроить значение выборки АЦП к требуемой программе контроллера.
Данные преобразования записываются в регистры результата с возможностью параллельного считывания через адресный порт и на блок компараторов.
В режиме дифференциального входа (дифф. вх.) напряжения на входах Июр и Ищ^- подаются в противофазе (со сдвигом на 180°) между собой и относительно опорного напряжения Икее в идеальном случае. Такой режим позволяет избавляться от синфазной помехи на входе АЦП. Передаточная характеристика в дифф. включении может быть показана прямыми Цда и (рис.3), при этом разность входных напряжений не должна превы-
шать диапазон преобразования иРзК
В режиме одиночного входа инверсный вход И^ отключается, а вместо него на вход АЦП аппаратно подается напряжение опорного источника
ИКЕЕСАР.
Передаточная характеристика каналов АЦП ИС 1874ВЕ96Т в любом режиме описывается в виде
АОС ~ (и№ ~ иіж) ' К0 ■> (1)
Бавс -выходной код АЦП, Иют -входное преобразуемое напряжение на позитивном входе АЦП, И^ - входное преобразуемое напряжение на негативном входе АЦП, Ко - коэффициент преобразования АЦП (тангенс угла наклона прямой преобразования). Передаточная характеристика АЦП приведена на рис. 3 сплошной линией.
Оабс
7РРРИ
4000И
0000И
С000И
8000И
>к Ва щс _ ( иют иіт! Ко
і \ \ Ииее/ /
\ \ //
Иш У' \ хишк
У / У \ Иік
ИеК- ► Иеэ+
Црзи Рис. 3
Входное напряжение начальной точки преобразования АЦП можно определить из выражения вида
ир3- =ирз_л-0,5-иь
(2)
ирз-,1 - напряжение первого межкодового перехода к коду 8001 И, Иьзв - шаг квантования. Входное напряжение в конечной точке преобразования АЦП при переходе к коду 7РРРИ равно:
(3)
Область значений входного напряжения АЦП, ограниченная (Ирэ- - ИРз+), является практическим диапазоном преобразования АЦП. Его можно определить из выражения вида
(4)
Коэффициент преобразования из выражения (1) можно определить из выражения вида
^ КррА '
а~ и
Кроа - коэффициент усиления АЦП (с диапазоном изменения от 0 до 38) дБ, К - коэффициент преобразования, определяемый конструкцией реализованной схемы. Для нашей схемы коэффициент К равен
К,=
(6)
Шаг квантования (единица младшего разряда) и единица старшего разряда определяются из выражений (7) - (9) соответственно:
и
FSR(nom)
2 -1
2
N
и =и -
^ FSR( nom) FSR
TJ _ OJV tj
LSB ^ LSB
и
FSR( nom) 2
(7)
(8)
(9)
N - число разрядов АЦП, иРзшп0т) - номинальный диапазон преобразования АЦП.
Зависимость диапазона преобразования Ирэя АЦП от величины опорного напряжения Икее при температуре (-60...+125) 0С приведена на рис. 4.
Рис. 4
В процессе эксплуатации АЦП потребители должны руководствоваться вышеуказанной зависимостью, исходя из условий применения.
Внутренний источник опорного напряжения АЦП ИС выполнен с использованием напряжения запрещенной зоны полупроводника. Данное опорное напряжение через буфер подается на вывод REFCAP, на который подключается емкость фильтра, и подается к каналам АЦП. На данный вывод, при необходимости, подается внешний источник опорного напряжения UREF = (1,125^1,6) В.
Наиболее близким функциональным аналогом канала АЦП ИС 1874ВЕ96Т является микросхема AD73360 фирмы Analog Devices. Критерием оценки качества сигма-дельта-АЦП являются параметры SINAD и THD. При разработке ИС 1874ВЕ96Т получены те же шумовые показатели, что и у аналога, при этом отечественная микросхема имеет расширенный температурный диапазон и значительную скорость обработки результатов при параллельном преобразование АЦП и использовании ресурсов микроконвертера.
Вышеприведенное описание параметров сиг-ма-дельта-АЦП с четким определением и соотношениями параметров, соответствующих межгосударственному ГОСТ [2], позволяет однозначно предоставить широкому кругу потребителей не только принцип работы конкретного АЦП, но и любого преобразователя этого класса, а также научить грамотно применять все режимы работы схемы и полностью использовать её ресурсы.
Литература
1. Смерек В., Потапов И., Крюков В., Горохов В. Первый отечественный 16-разрядный микроконвертор на базе MCS-96.// электронные компоненты, №12, 2010.
2. ГОСТ 29109-91 «Микросхемы интегральные»// «часть 4. Интерфейсные интегральные схемы»: Изд-во Москва, 1992.
3. Голуб В. Сигма-дельта-модуляторы и АЦП.// Технология и конструирование в электронной аппаратуре, №4, 2003.
Воронежский государственный технический университет НИИЭТ, г. Воронеж
SIGMA-DELTA ADC V.P. Litvinenko, A.S. Togushov, N.P. Levkin
Discusses key concepts converting analog signals to 8 channel delta-sigma ADCs in the single-mode and differential in the 16-bit MicroConverter 1874VE96T
Key words: integrated circuit, full scale, bit, differential input
