ЖУРНАЛ СТА 3/2014

работан математический аппарат, в частности, теория Найквиста, а также масса специальных технических приё- мов, позволяющих повысить точность и достоверность результатов измере- ний. Полученная цифровая информа- ция по-прежнему сохраняется на ана- логовом носителе, например, в ячейках полупроводниковой памяти или на магнитном диске. Все эти носители по определению шумные, то есть привно- сят искажения в исходную информа- цию. Но на них исходные аналоговые данные сохраняются в виде последова- тельности целочисленных значений. Эти значения могут быть восстановле- ны с носителя без ошибок, поскольку нам уже не требуется воспроизводить точный аналоговый сигнал, а нужно лишь распознать записанные логиче- ские «0» и «1». Д ЕЛЬТА - СИГМА ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В простейшем АЦП (аналого-цифро- вом преобразователе) прямого преобра- зования аналоговый сигнал преобразу- ется в цифровой системой компарато- ров (рис. 2) и приоритетным шифрато- ром. Принцип действия этого АЦП за- ключается в параллельном сравнении входного сигнала линейкой компарато- ров с рядом опорных напряжений. На выходе каждого компаратора мы полу- чаем «0» либо «1», в зависимости от со- отношения уровней на его входах. Да- лее приоритетный шифратор преобра- зует код, образованный последователь- ностью установившихся в «1» компара- торов, в двоичный код. Кроме просто- ты реализации, е динс т в енным преимуществом такой схемы является скорость работы, обусловленная параллельностью пре- образования: задержка преобразования практически равна задержке срабаты- вания одного компаратора. Существен- ный недостаток заключается в невоз- можности реализовать многоразряд- ный АЦП, поскольку для создания N -разрядного устройства требуется 2 N компараторов. Таким образом, на- пример, для реализации 4-разрядного АЦП потребуется всего 16 компарато- ров, для 10-разрядного АЦП нужно уже 1024 отдельных компаратора, а для 16-разрядного – 65536 (!). Помимо это- го процесс сильно зависим от многих внешних факторов, а также привносит в измерения систематическую ошибку в виде шума квантизации, в итоге не обеспечивая достаточную точность и стабильность преобразования. Гораздо более перспективный путь – дельта- сигма модуляция, являющаяся методом цифровой обработки сигналов, или DSP (Digital signal processing). Метод назван так потому, что в случае его ис- пользования кодируется не абсолютное значение сигнала, а его изменение (Delta). Дельта-сигма модуляция уна- следовала все достоинства своего пра- родителя – дельта-модуляции при бо- лее высокой точности преобразования. Структурная схема однобитового пре- образователя представлена на рис. 3. Принцип действия этого АЦП в корне отличен от параллельного преобразова- ния. Здесь входное напряжение посто- янно сравнивается со значением, полу- ченным с выхода интегрирующей цепи. В зависимости от результата этого сравнения на вход интегратора подают- ся импульсы положительной или отри- цательной полярности. Таким образом, напряжение на выходе интегратора всегда стремится уравняться с входным напряжением. Поток нулей и единиц с выхода компаратора подаётся на циф- ровой фильтр низкой частоты, в ре- зультате чего получается N -битовый код. В дельта-сигма модуляции точ- ность преобразования достигается за счёт организации обратной связи по- средством 1-битового ЦАП (цифро- аналоговый преобразователь) и вычи- тания (Sigma) полученного с его выхо- да аналогового сигнала из входного, тем самым уменьшается ошибка, вно- симая в процессе дельта-модуляции. Этот метод широко применяется в со- временной электронике при создании таких устройств, как преобразователи, синтезаторы частот, импульсные ис- точники питания, контроллеры управ- ления двигателями, и т.п. Дискретизация сигнала в АЦП обыч- но происходит с разрешением, значи- тельно превосходящим номинальную дискретизацию устройства. В результа- те передискретизации шум квантиза- ции смещается за пределы частоты дис- кретизации, что приводит к снижению ошибок преобразования. Этот эффект проиллюстрирован на рис. 4. Аналого- вый входной сигнал подаётся через вы- читатель и фильтр нижних частот ана- логового контура, имеющий высокий коэффициент усиления на низких ча- стотах и низкий коэффициент усиления на высоких частотах. Шум квантизации от внутреннего АЦП обратно пропор- ционален коэффициенту усиления фильтра контура. В результате шум квантизации «срезается» фильтром верхних частот в цепи обратной связи. Этот метод называют ограничением шума. Он проиллюстрирован на рис. 5. Одноразрядные дельта-сигма АЦП обеспечивают широкий динамический диапазон, тем не менее, работают на от- ОБ ЗОР / АППА РАТ НЫЕ С Р Е ДС Т В А 17 СТА 3/2014 www.cta.ru + – Цифровой выход + – + – + – + – + – + – Аналоговый вход Опорное напряжение 1,5 R R R R R R R 0,5 R Внутренние часы Буферный регистр Приоритетный шифратор и регистр- защёлка – – + + + Дельта-сигма модулятор Интегратор A B Cумматор Σ Входной сигнал Опорное напряжение Опорное напряжение 1-битовый ЦАП 1-битовый kF s Внутренние часы Цифровой фильтр и дециматор N -битовый код Компаратор- защёлка (однобитовый АЦП) Битовый поток данных F s F s ∫ Рис. 2. Структурная схема АЦП прямого преобразования Рис. 3. Структурная схема дельта-сигма АЦП