Системы преобразования данных

В данной системе используется параллельные преобразования и мультиплексирование, перенесено, из аналоговой в цифровую область. Это позволяет использовать менее быстродействующие и более дешѐвые АЦП и исключить схему выборки – хранения.

Преимущества данной системы:

-устраняются ошибки, возникающие при мультиплексировании и выборки – хранении аналогового сигнала и вносящий основной вклад в погрешность преобразования;

-наиболее перспективный метод, т.к. при преобразовании сигнала, непосредственно, на выходе датчика и улучшеной помехозащищенности передачи сигнала к ЭВМ, последнюю, можно разгрузить от обработки избыточной информации.

Аналоговые мультиплексоры (МАС).

МАС- это устройство, обеспечивающее связь необходимого сигнала с устройством его последующей обработки и преобразования.

Применение МАС даѐт возможность использовать общие усилительные и преобразовательные устройства для всей совокупности входных аналоговых сигналов. В результате стоимость АЦП, схем в – х, а также других элементов, приходящих на один измерительный канал, снижается.

Современные МАС представляют собой устройство с произвольной выборкой измерительных каналов в соответствии с кодом адреса, поступающего от инициирующих источников (ПЗУ, ОЗУ, дисков и т.д.).

АК

БУ

Аналоговые входы

Код адреса СУАК ДША РГА аналогового

входа

Рассмотрим структурную схему МАС.

Традиционная структура МАС включает следующие основные элемен-

ты:

АК – аналоговые ключи; РГА – адресные регистры, обеспечивающие хранение адреса выбранного в данный момент канала; ДША – дешифратор адреса;

СУАК – схема управления аналоговыми ключами. Преобразует выходные сигналы ДША в сигналы управления аналоговыми ключами АК.

Все параметры МАС можно разделить на три группы:

1.конструктивные;

2.статические;

3.динамические.

1.Конструктивные: число каналов, конфигурация каналов (дифференциальная, псевдодифференциальная, недифференциальная), способ адресации каналов, число ступеней коммутации, возможность наращивания числа коммутирующих каналов, функциональная полнота.

2.Статические: погрешность передачи, диапазон входных сигналов, в пределах которого сохраняется линейность передачи вход – выход, ток утечки, напряжения смещения и их температурные коэффициенты, чувствительность к изменениям напряжения питания, нагрузочная способность.

3.Динамические: максимальная частота переключений, время включения и время отключения, проходная ѐмкость и собственная ѐмкость канала.

Конфигурацию аналоговых входов МАС определяет способ подключения источников входных сигналов.

а.) При наличии общей «земли» у источников входных сигналов и систем сбора и обработки данных изменяется недифференциальная конфигурация

аналоговых каналов (а).

б.) Если источники имеют общую между собой «землю», но раздельную с системой сбора, то используется псевдодифференциальная конфигурация аналоговых каналов (б).

в.) Когда источники и система имеют раздельные «земли», должна применяться дифференциальная конфигурация (в).

На рисунках En01 , En0 N - источники помех общего вида.

По способу адресации (опросу) каналов мультиплексоры делятся:

1.МАС с адресным опросом – адрес каждого канала определяется потребителем информации с мультиплексора (например, ЦП);

2.МАС с циклическим опросом – УУ запускает коммутатор каналов мультиплексора, работающий в течение цикла в автоматическом режиме. Имеется возможность прерывания цикла.

3.МАС с комбинированным опросом – УУ задаѐт зону адресов, в пределах которой надо осуществлять циклический опрос.

При необходимости увеличения числа коммутируемых каналов используют несколько однотипных схем.

При выборе МАС руководствуются следующим:

1.МАС должен работать со скоростью, согласующейся с требуемой частотой выборки системы сбора данных;

2.не вносить при этом недопустимо большие ошибки в передаваемый сигнал;

Обычно используют три типа переключающих элементов, сравнительные характеристики приведены в таблице.

Механические ключи применяются для коммутации измерительных сигналов с уровнем ниже ~ 10 мВ.

Наибольшее распространение получили КМОП – ключи. Достоинства:

1.высокий уровень коммутирующих напряжений (до напряжения питания системы);

2.стабильность сопротивления в открытом состоянии при изменении амплитуды входного сигнала, обусловлена симметрией p и n – канальных транзисторов;

3.надѐжное запирание при отключении питания.

Эквивалентная схема КМОП – ключа имеет вид:

Относительная статическая погрешность для i – того открытого канала при коммутации сигналов низкого уровня:

где R0 - сопротивление разомкнутого ключа;

Rз.i - сопротивление замкнутого ключа:

Rн - сопротивление нагрузки; n – число ключей.

Из данного выражения можно определить минимальное значение напряжения, коммутируемого по i – тому каналу с заданной погрешностью:

Uвх.min ограничивает входной диапазон аналогового напряжения снизу. Оно

тем больше, чем больше число каналов и сопротивление нагрузки Rн. Аналоговые MUX вносят две значительные динамические погрешности

в передаваемый сигнал:

1.ток утечки через закрытый канал (у ПТП он зависит от темпера-

туры);

2.наличие постоянной времени RC цепи образованной паразитной ѐмкостью закрытых каналов и сопротивлением открытого канала.

Пример: Для 32 – канального мультиплексора (n=32) на КМОП – ключ с параметрами Rз=1,5 кОм. и током утечки Iут.=5 мА. Выходная ѐмкость канала Сск.=50 пФ.

Определить:

1.Падение напряжения на ключе;

2.Время установления выходного сигнала с погрешностью 0,01%.

1.Суммарный ток утечки Iут.с=(n-1)*I ут.=31*5 мА.=155 мА.

2.Падение напряжения на ключе:

Uсдв.=Iут.с.Rз.=155*10-9*1,5*103=233 мкВ.

3. сравниваем с погрешностью квантования для 12 - разрядного АУП при полной шкале Uш.=10 В.

4.Суммарная ѐмкость на выходе ключа Сс=(n-1)Сск=31*50=1550 пФ.

5.Постоянная времени RзCc 1,5 103 1550 10 12 2,325мкс.

6.Время установления с погрешностью, в пределах 0,01%, необходи-

Основными факторами, определяющими динамические свойства мультиплексора, являются:

-время включения tвкл.;

-время установления tуст.;

-время выключения tвыкл..

а.) Оптимальным является соотношение: tвкл.>tвыкл. В этом случае обеспечивается отключение ранее выбранного канала прежде, чем произойдет включение следующего. Если же данное соотношение не выполняется необходимо, чтобы пауза между соседними импульсами управления должна выбираться из условия: tn>tвыкл.. Учѐт этого условия позволяет правильно выбрать максимальную скорость опроса каналов.

б.) Время установления t выходного сигнала MUX зависит не только от параметров MUX, но и от параметров источников входных сигналов.

При определении максимальной скорости опроса каналов MUX в устройствах повышенного быстродействия необходимо учитывать значение выходной ѐмкости канала Сс, а также ѐмкость нагрузки Сн.

Рассмотрим режим размыкания канала (рис. а).

Эквивалентная ѐмкость Сэкв.= Сс||Сн заряжена до некоторого входного напряжения Uвх.N. При размыкании ключа ѐмкость Сэкв. разряжается через со-

При большой скорости переключения каналов выходное напряжение муль-

t

типлексора: Uвых. Uвх.к Uвх.N e экв . .

Второе слагаемое определяет погрешность, возникающую вследствие не завершения переходного процесса после отключения ранее выбранного канала.

в.) Выходная ѐмкость MUX должна учитываться и при определении минимального времени в течение, которого выбранный канал находится в замкнутом состоянии, т.е. при определении минимальной длительности опрашивающего импульса. При этом также необходимо учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала Ri, и ѐмкость источника Сi.

Если в некоторый момент времени канал N был выключен, то на ѐмкость Сэкв. будет заряжена до Uвх.N. При выборе канала К происходит перераспределение зарядов между ѐмкостями Сi и Сэкв. и заряд на обеих ѐмкостях

будет изменятся с постоянной времени: i Ri (Ci Cэкв. ) . Тогда

Для повышения точности и быстродействия применяется многоступенчатый принцип коммутации (обычно двухступенчатый). Некоторое увеличения сопротивления ключа Rз. с лихвой компенсируется уменьшением тока утечки и ѐмкости в выходных цепях устройства.

Также при этом:

1.устраняется возможное замыкание двух или более ключей;

2.более экономная система адресации. Ключи общих ступеней адресуются одним и тем же адресным регистром.