Проектирование систем сбора и обработки данных

1.1 Принцип измерения тока и напряжения с использованием датчиков.

2 Обработка цифрового сигнала

3 Аналого-цифровой преобразователь.

3.1 Архитектура параллельного преобразования

3.2 Конвейерная архитектура

3.3 Архитектура последовательного приближения

4 Применение АЦП для измерения напряжения и тока

Заключение

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Принцип измерения тока и напряжения с использованием датчиков.
Датчики измерения тока и напряжения – это самая многочисленная группа приборов, и физические принципы, лежащие в основе этих датчиков, повторяются во всех остальных модификациях. Любой ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг этого проводника магнитное поле. Измеряя величину и направление этого магнитного поля, можно определить величину, направление и форму протекающего тока. Отсюда и основное преимущество датчиков тока, реализующих указанный принцип работы, они измеряют любой вид тока без разрыва токовой цепи и с гальванической развязкой выходного сигнала от токовой цепи. Поэтому, даже несмотря на большую стоимость, датчики измерения тока успешно заменяют токовые шунты и трансформаторы тока.
Универсальность датчиков тока заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи.
...

2 Обработка цифрового сигнала
Сигнал, снятый с датчика, может иметь амплитуду в несколько милливольт, работа с таким сигналом для аналого-цифрового преобразователя затруднительна. Данный сигнал может содержать шумы и лишние гармоники, что может служить причиной разброса выходных данных АЦП. С этой целью используют схему согласования сигналов.
Претерпев ряд преобразований, информация об измеряемой физической величине попадает на вход обработчика цифрового сигнала. В качестве него могут выступать микроконтроллеры, микропроцессорные системы, персональные компьютеры или специализированные ЭВМ, в зависимости от сложности ССД.
...

3 Аналого-цифровой преобразователь.
Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п.
Аналого-цифровые преобразователи обладают рядом характеристик, которые необходимо учитывать при проектировании систем сбора данных. При выборе АЦП, необходимо обратить внимание на скорость изменения входного сигнала и его допустимая погрешность преобразования.
Аналого-цифровые преобразователи подразделяются на два больших класса:
–работающие на частоте Найквиста (Nyquist-rate);
– с передискретизацией (oversampling).
Различия между данными подходами показаны на рисунке 2. Здесь спектр частот входного сигнала ограничен частотой fB.
...

3.1 Архитектура параллельного преобразования
Данная архитектура, называемая также full-flash, относится к преобразователям первого класса (рисунок 3).
N-разрядный АЦП такого типа содержит (2N-1) компараторов и столько же источников опорного напряжения. На очередном цикле входное напряжение сохраняется схемой выборки и хранения, после чего происходит его сравнение со всеми опорными напряжениями. В результате с выходов компараторов снимается (2N-1) – разрядный код, который преобразуется дешифратором в выходной код.

Рисунок 3 - Структурная схема АЦП параллельного преобразования
Реализация алгоритма преобразования в таком АЦП осуществляется за один цикл, поэтому такая архитектура позволяет достичь максимального быстродействия. Однако с увеличением разрядности число элементов схемы и, соответственно, площадь кристалла растут в геометрической прогрессии. Поэтому разрядность АЦП параллельного преобразования редко превышает восемь бит.
3.
...

3.2 Конвейерная архитектура
Данная архитектура позволяет повысить разрядность АЦП параллельного преобразования путем реализации алгоритма преобразования в несколько этапов (рисунок 4). Здесь входное напряжение сохраняется в схеме выборки и хранения, после чего M-битный АЦП производит грубую оценку входного сигнала (получение старших M битов). ЦАП затем преобразует цифровой код в аналоговый сигнал, который вычитается из входного сигнала. Остаток после усиления преобразуется в АЦП для получения младших N битов.

Рисунок 4 - Структурная схема конвейерного АЦП
При использовании восьмиразрядных АЦП параллельного преобразования, такой подход позволяет получить 16-битный АЦП. При этом число компараторов составляет 510. Реализация 16-битного АЦП параллельного преобразования потребовала бы 65536 компаратора. В общем случае можно использовать K число АЦП, включенных в последовательность (рисунок 5).
...

3.3 Архитектура последовательного приближения
Алгоритм последовательного приближения осуществляет аналого-цифровое преобразование за несколько циклов путем использования ранее определенных битов для получения следующего бита цифрового кода (рисунок 6). Здесь, после выборки входного напряжения, оно сравнивается с половинным значением динамического диапазона АЦП. Таки образом определяется первый бит выходного кода. В следующем цикле происходит сравнение с четвертью диапазона, получение второго бита и так далее. Алгоритм преобразования для n-разрядного АЦП занимает максимум (n+1) циклов, включая цикл выборки входного напряжения.

Рисунок 6 - График последовательного приближения
Структурная схема АЦП последовательного приближения представлена на рисунке 7. Достоинствами АЦП данного типа являются простота схемы и низкая потребляемая мощность. Скорость преобразования обратно пропорциональна разрядности АЦП.
...

4 Применение АЦП для измерения напряжения и тока
Преобразование напряжения и тока в цифровой код используется при построении цифровых вольт- и амперметров. Простейшая схема цифрового вольтметра представлена на рисунке 8. Здесь измеряемое напряжение при необходимости усиливается и фильтруется, после чего поступает на вход АЦП. Обработку цифрового кода, полученного с выхода АЦП, осуществляет микроконтроллер, который затем выдает необходимую информацию на устройство индикации. В качестве преобразователя может быть использован внутренний АЦП микроконтроллера.

Рисунок 8 - Структурная схема цифрового вольтметра
При использовании 8-битного АЦП удобно использовать источник опорного напряжения, с напряжением 2,55В, в этом случае для диапазона входных напряжений (0…2,55В) существенно упрощается обработка цифрового кода. При использовании в качестве устройства индикации семисегментного индикатора, вместо микроконтроллера может быть использована специализированная микросхема.
...