МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
Электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра РАПС
ДОКЛАД
По дисциплине «Элементы систем автоматики»
Тема: Аналого-цифровые преобразователи. Метод параллельного преобразования
| Студент гр. 5403 | Пермяков И. А. | |
| Преподаватель | Пожидаев А. К. |
Санкт-Петербург
содержание
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП) 3
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АЦП.. 7
ПРИМЕНЕНИЕ.. 11
ПРОИЗВОДИТЕЛИ АЦП.. 12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 17
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП)
В задачах преобразования сигналов измерительной информации часто возникает необходимость
представления непрерывных сигналов дискретными и восстановления непрерывного сигнала по
его дискретным значениям. При этом непрерывный сигнал y(t) представляется совокупностью
дискретных значений y(t1), y(t2), y(t3), …, по которым с помощью некоторого способа восстановления
может быть получена оценка y*(t) исходного сигнала y(t).
Процесс преобразования y(t) в y(t1), y(t2), y(t3), …, y(tn) называется дискретизацией непрерывного сигнала. Наиболее часто применяется так называемая равномерная дискретизация, при которой интервал между соседними отсчѐтами – шаг дискретизации h = ti+1 - ti остаѐтся постоянным.
Процесс дискретизации сигнала сегодня проводится с помощью АЦП – аналого-цифровых преобразователей:
Рисунок 1
В основу преобразования непрерывной величины в дискретную положено квантование по уровню.
Рисунок 2
Эти уровни нумеруются с нуля, причѐм уровень с номером нуль – это уровень оси абсцисс. На
каждом уровне все значения равны (т.к. уровни - это параллельные линии). Значит, если мы хотим
узнать, что происходит на уровне N, используем формулу
𝑁 ∗ h
где h – шаг квантования, N – номер уровня.
Далее, строим так называемую квантованную функцию, то есть непрерывную функцию
заменяем квантованной. Вот так:
Рисунок 3
Ошибка, то есть разность между аналоговой и квантованной функцией существует и равна шагу
квантования.
Δ𝑋дискр−ти = 𝑋кванто−ная − 𝑋аналог−я
Для красных чернил
𝛥𝑋дискр−ти 𝑀𝐴𝑋 = −h
Для синих чернил
𝛥𝑋дискр−ти 𝑀𝐴𝑋 = h
Обратите внимание на минус в погрешности для красно чернильного графика и на плюс в погрешности для синего графика.
Погрешность можно уменьшить до полушага квантования, если провести квантованную
функцию по центру тяжести аналоговой функции.
Рисунок 4
Существуют три метода построения АЦП:
1. Метод параллельного преобразования
2. Метод поразрядного приближения
3. Метод двойного интегрирования
Основными характеристиками преобразователей являются:
1. Динамический диапазон это диапазон изменения входных и выходных величин, который определяется отношением максимального значения входной- X или выходной -Y величин, к минимальным
2. Временные характеристики: период квантования - t; частота квантования
fк =1/ t -выбирается в зависимости от спектра сигнала.
- Время преобразования - Тпр - интервал времени от начала преобразования до появления выходного сигнала с заданной точностью. Чем выше точность, тем больше время преобразования. Время преобразования характеризует быстродействие.
3. Точность преобразования, которая зависит от погрешностей: квантования, инструментальной и погрешности аппаратуры (чувствительности датчика, шага квантования, разрядности преобразователя, точности обработки ЭВМ и т. д.).
4. Надежность, достоверность, помехозащищенность, сбои и отказы.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АЦП
АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рисунке показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа
Рисунок 5
С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.
Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от 5/2h, до 7/2h, где h=Uоп/7 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором, диаграмма состояний которого приведена в таблице.
Таблица 1
Подключение приоритетного шифратора непосредственно к выходу АЦП может привести к ошибочному результату при считывании выходного кода. Рассмотрим, например переход от трех к четырем, или в двоичном коде от 011 к 100. Если старший разряд вследствие меньшего времени задержки изменит свое состояние раньше других разрядов, то временно на выходе возникнет число 111, т.е. семь. Величина ошибки в этом случае составит половину измеряемого диапазона.
Так как результаты АЦ-преобразования записываются, как правило, в запоминающее устройство, существует вероятность получить полностью неверную величину. Решить эту проблему можно, например, с помощью устройства выборки-хранения (УВХ). Некоторые интегральные микросхемы (ИМС) параллельных АЦП, например МАХ100, снабжаются сверхскоростными УВХ, имеющими время выборки порядка 0,1 нс. Другой путь состоит в использовании кода Грея, характерной особенностью которого является изменение только одной кодовой позиции при переходе от одного кодового значения к другому. Наконец, в некоторых АЦП (например, МАХ1151) для снижения вероятности сбоев при параллельном АЦ-преобразовании используется двухтактный цикл, когда сначала состояния выходов компараторов фиксируются, а затем, после установления состояния приоритетного шифратора, подачей активного фронта на синхровход выходного регистра в него записывают выходное слово АЦП.
Как видно из табл. 1, при увеличении входного сигнала компараторы устанавливаются в состояние 1 по очереди - снизу вверх. Такая очередность не гарантируется при быстром нарастании входного сигнала, так как из-за различия во временах задержки компараторы могут переключаться в другом порядке. Приоритетное кодирование позволяет избежать ошибки, возможной в этом случае, благодаря тому, что единицы в младших разрядах не принимаются во внимание приоритетным шифратором.
Рисунок 6
Число, соответствующее выходному коду, определяется, как
Регистр обеспечивает возможность хранения состояния компараторов и соответственно неизменность выходного кода АЦП в течение интервала времени между импульсами стробирования (тактовыми импульсами). Его применение позволяет выполнить синхронизацию моментов формирования выходного кода внешним стробирующим сигналом, определяющим частоту дискретизации.
Способ параллельного кодирования обеспечивает наибольшую скорость преобразования, из-за чего его иногда называют способом «мгновенного кодирования». Время преобразования определяется быстродействием компараторов, триггеров регистра и задержкой на шифраторе.
где tк – время срабатывания компаратора;
tр – задержка в регистре;
tш – задержка на шифраторе.
Параллельное кодирование (иногда называемое «мгновенным» кодированием) - это самый быстрый метод А/Ц-преобразования. Время задержки от входа до выхода равно сумме времен задержки на компараторе и шифраторе. Параллельные преобразователи, выпускаемые промышленностью, имеют от 16 до 1024 уровней квантования (с выходами от 4 до 16 разрядов). При большем числе разрядов они становятся дорогими и громоздкими.
ПРИМЕНЕНИЕ
Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.
·. АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на информационный носитель.
· АЦП является составной частью цифрового вольтметра и мультиметра
- Специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
- АЦП являются составной частью систем сбора данных.
- АЦП последовательного приближения разрядностью 8-12 бит и сигма-дельта-АЦП разрядностью 16-24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры.
- Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвейерные АЦП)
- Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).
- АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора.
- Сверхбыстрые АЦП используются в цифровых антенных решётках (SMART-антеннах) в базовых станциях сотовой связи и РЛС.
ПРОИЗВОДИТЕЛИ АЦП
CAEN SyS
MOUSER ELECRONICS
AKM Semiconductor {Audio ADCs/DAC IC Manufacturer}
Analog Devices {Analog-to-Digital Converters/Digital-to-Analog Converter ICs}
Cirrus Logic {Audio A/D and D/A converters, CODEC Manufacturer}
Fairchild Semiconductor {ADCs/DAC IC Manufacturer}
Holtek Semiconductor Inc. {DAC/ADC ICs}
Intersil {ADCs/DAC IC Manufacturer}
Linear Technology {ADCs/DAC IC Manufacturer}
Maxim Integrated Products {ADCs/DAC IC Manufacturer}
Microchip {Delta-Sigma/Dual Slope/Binary/BCD ADC ICs}
National Semiconductor {ADCs/DAC IC Manufacturer}
NEC {D/A Converter for Audio System}
NJR Corporation {ADC-DAC-V/F-F/V Converter ICs}
Renesas Technology America, Inc {D/A R2R, Multiplying, A/D Converter}
Sony {A/D Converter 1:2 De-Multiplex, TTL Output, Sample & Hold, D/A Converter}
Thaler Corp. {A/D Converter Manufacturer. ADC 18-26 bits}
Texas Instruments 'TI' {ADC-DAC-Voltage/Freq Converter IC Manufacturers}
Wavefront Semiconductor {48kHz 24-bit stereo audio ADC, low-cost 24-bit DAC IC Manufacturer}
Wolfson Microelectronics
{Mono, Multi-channel and Stereo ADCs}
Российские производители:
ГУП НПЦ «Элвис»
В ГУП НПЦ «Элвис» разработаны отечественные микросхемы двухканального аналого-цифрового контроллера ввода сигналов 9008ВГ1Я
Практическое применение микросхем возможно в таких областях как системы ввода изображения, в том числе системы тепловидения; радиосвязь; радиолокация; гидроакустические системы; измерительная техника; системы сбора данных; системы управления; системы промышленного контроля; и в других устройствах, позволяющих принимать и обрабатывать отсчеты АЦП в реальном времени.
Физика НПО, Москва: Приемопередатчики МКИО и ДПК, АЦП, ЦАП, угол-код, разовые команды, DC-DC, БМК
Миландр, Москва, Фаблесс-производитель: микроконтроллеры, память, АЦП и ЦАП, микросхемы управления питанием, интерфейсы
Российская микроэлектроника для космоса: кто и что производит
«Миландр», Зеленоград
ЗАО ПКК «Миландр», базирующийся в Зеленограде – компания с двадцатилетней историей и, что более важно для нас, с самым подробным среди всех российских микроэлектронных компаний сайтом. На нем удалось найти вот что:
1645РУ2Т – статическое ОЗУ (SRAM) емкостью 64 Кбит. В серийном производстве с 2008 года.
1645РУ5У – статическое ОЗУ (SRAM) емкостью 4 Мбит. ОКР заканчивается в 2014 году.
Судя по годам выпуска, первая микросхема выпускается на какой-то совсем старой технологии, вторая – 180 нм (наверняка на «Микроне»).
По ссылке (осторожно, трафик) можно найти фотографии радиационностойкого 8-битного микроконтроллера 1886ВЕ10 (аналог PIC17), информации о котором на сайте почему-то нет.
Технология – микроновские 180 нм, по радстойкости полный фарш из кольцевых транзисторов и многотранзисторных запоминающих элементов. Точных данных в открытом доступе нет, но микросхема с такими методами защиты должна выдерживать ядерный взрыв, не то, что долговременный полет в космосе.
1645РТ2У – однократно программируемое ПЗУ (antifuse) емкостью 256 кбит. ОКР сдан в 2013 г.
Вот здесь можно посмотреть, как она выглядит. Проектные нормы, судя по вскрытому кристаллу, 680 нм.
5576РТ1У – однократно программируемое ПЗУ (antifuse) емкостью 1 Мбит. ОКР сдан в 2013 г. Проектные нормы, скорее всего, 180 нм (технология «Микрона»).
Для других микросхем «Миландра» радиационная стойкость не заявлена, однако например в новостях на сайте можно найти такую строчку: «Обновлены параметры стойкости к спецфакторам для микросхемы 1310ПН1У (значительно улучшены)». 1310 – это индуктивный преобразователь питания, для которого радиационная стойкость не заявлена. Если все микросхемы, поставляемые с пятой приемкой, имеют хотя бы какую-то стойкость к радиации, то у «Миландра» есть еще довольно широкий набор микросхем интерфейсов, управления питанием и АЦП/ЦАП.
Перспективная разработка «Миландра» – их первый радиационностойкий и сбоеустойчивый микропроцессор. Он пока что не имеет собственного обозначения и презентуется на различных конференциях под именем «Обработка-13». (ссылка на скачивание pdf) По ссылке – презентация об устройстве процессора и его проектировании в части обеспечения радиационной стойкости. Там есть интересные и спорные решения, но выглядит впечатляюще (за исключением совместной работы ядер, пожалуй).
Процессор – двухъядерный ARM Cortex-M4F с режимами раздельной работы ядер и аппаратным дублированием. Тактовая частота – 100 МГц, SRAM 32 кбайт, ПЗУ 128 кбайт, широкий набор интерфейсов и аналоговой периферии.
Производиться «Обработка-13» будет на немецкой фабрике XFAB.
НПЦ «Элвис», Зеленоград
«Элвис» в настоящее время активно продвигает собственную продукцию в космическую отрасль, активно сотрудничая с заводом «Микрон» в части технологии и с НИИ «Субмикрон» в части производства космической аппаратуры. Также «Элвис» участвует в международной рабочей группе по разработке стандарта передачи данных SpaceWire, на который в ближайшей перспективе переходит Европейское космическое агентство и, возможно, Роскосмос.
Пробная ласточка «Элвиса» в части аэрокосмических применений – микросхема памяти 1657РУ1У (SRAM 4Мбит), изготовленная по зарубежной технологии 250 нм.
Не хотелось бы язвить, но на подробной страничке с информацией о микросхеме (побольше таких бы) в параметрах радиационной стойкости можно найти вот что: «суммарная накопленная доза 330 крад, КТЗ 500 крад», а в параметрах, записанных в факторах согласно ГОСТ (внизу таблицы), цифра другая. Какая именно – не скажу, потому что этот ГОСТ – секретный, в отличие от аналогичных стандартов наших американских заклятых друзей. Кроме того, ходят слухи, что испытания первых микросхем проводились по каким-то специально обученным методикам, так что в том, что все работает действительно хорошо, есть некоторые сомнения.
1892ВМ8Я – двухъядерный процессор с ядром общего назначения (совместимо с MIPS-32) и ядром цифровой обработки сигналов. Тактовая частота 80 МГц, 480 MFLOPs при вычислениях с плавающей точкой, широкий набор интерфейсов – итого достаточно серьезная машина получается. Технология, как и предыдущей схемы памяти, 250 нм КМОП (зарубежная).
Сейчас «Элвис» разрабатывает несколько аналогичных процессоров на микроновских технологиях 180 нм и 250 нм КНИ, но результаты еще не пошли в серию. Разрабатываемый комплект микросхем «Мультиборт» был на днях представлен на выставке «Новая электроника», а на сайте «Элвиса» я нашел вот этот документ (ссылка на скачивание pdf)
В комплекте обозначено более двадцати микросхем с годом начала выпуска вплоть до 2014-го: микропроцессоры, АЦП, контроллеры внешних устройств и коммутаторы, позволяющие полностью организовать сеть передачи данных на борту космического аппарата.
После отработки решений на зарубежных фабриках «Элвис» делает все перспективные микросхемы полностью в России на «Микроне» (проектные нормы 180 и 90 нм).
Дизайн-центр «Союз», Зеленоград
ДЦ «Союз» разрабатывает аналого-цифровые базовые матричные кристаллы на базе «микроновской» технологии КНИ 0,24 мкм. Завершение ОКР намечено на 2014 и 2015 год
5400БК1Т, 5400БК2У – общего назначения. 110к цифровых вентилей, 50к «аналоговых» транзисторов, 56 ОУ, 56 компараторов, 6 АЦП, 6 ЦАП, источник напряжения и другие блоки
5400ТР014 – прецизионный. 110к цифровых вентилей, 10к «аналоговых» транзисторов, 3- ОУ, 2 АЦП, 2 ЦАП, 2 УВХ, источник напряжения и т.д.
P.S. Базовый матричный кристалл — это микросхема из базовых ячеек без нескольких верхних слоев металлизации, при помощи которых ячейки можно соединить нужным заказчику образом. Этакий допотопный аналог ПЛИС. До сих пор востребованы, что характерно.
НИИЭТ, Воронеж
Еще одно воронежское предприятие, работающее для космической промышленности – ОАО «НИИ Электронной техники» (НИИЭТ).
НИИЭТ разрабатывает широкий набор микроконтроллеров (8-бит MCS-51, AVR, 16-бит MCS-96, C166), DSP (аналоги Texas Instruments), АЦП/ЦАП и других. Производство, судя по заявленным возможностям предприятия – на XFAB.
В каталоге предприятия три радиационностойких микросхемы:
1830ВЕ32У/1830ВЕ32АУ – 8 бит, 12/16 МГц, 256 байт ОЗУ (аппаратно троированного!), ПЗУ нет, функциональный аналог Intel 80C51FA
1874ВЕ05Т – 16 бит, 20 МГц, 488 байт SRAM, функциональный аналог Intel 196
Все радиационностойкие микросхемы, в отличие от обычных аналогов, производятся в России, на фабрике НИИСИ РАН по технологии 0,5 мкм КНИ.
В таблице перспективных радиационностойких разработкок на ближайшие два года почти десяток позиций, самые интересные из которых – семейство ЦАП, два DSP и микропроцессор с архитектурой SPARC (аналог широко применяемых как в Европе, так и в России процессоров LEON3, поставки которых в Россию совсем недавно прекратились). Удивительно кстати то, что этот процессор делает НИИЭТ, а не например Московский центр SPARC-технологий (МЦСТ). Видимо опыт проектирования радстойких изделий оказался важнее опыта проектирования SPARC.
И последнее предприятие в списке – минский завод «Интеграл»
В линейке продукции специального назначения «Интеграла» — статическая и динамическая память (самая большая – 1 Мбит, как SRAM, так и ПЗУ), небольшие микроконтроллеры, интерфейсные микросхемы, БМП и ПЛИС, а также силовые и дискретные приборы. Подавляющее большинство – на старых технологиях. Вот пара примеров:
1655РР1Т – 256 кбит флэш-память, время выборки 150 нс, время записи 10 мс.
1659РУ1Т – SRAM 256 кбит, время выборки 50 нс. КНИ технология.
1666РЕ014 – FRAM 1 Мбит.
1881ВГ4Т – 8-битный микроконтроллер (AVR) с встроенной флэш-памятью, SRAM и аналоговой периферией. Тактовая частота 4 МГц.
1880ВЕ1У – 8-битный микроконтроллер (MSC-51) со встроенным 10-битными АЦПю Тактовая частота 24 МГц.
1451БК2У – аналоговый базовый матричный кристалл.
5577CX3T – однократно программируемая ПЛИС на 2000 эквивалентных вентилей.