Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)?

Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)?

 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются одним из основных элементов современных систем сбора данных. Такие системы состоят из следующих базовых компонентов:

• датчиков (см. справочник «Что такое датчики?»);

• преобразователей сигналов (см. руководство «Что такое преобразование сигналов?»);

• аналого-цифровых преобразователей (АЦП) (данная статья)

• и какого-либо компьютера с ПО для сбора данных, позволяющего регистрировать и анализировать сигналы.

Преобразователи АЦП играют большую роль в современных цифровых системах сбора данных.

Узнайте больше о сборе данных:

Что такое системы сбора данных?Полное руководство по сбору данных (DAQ). Узнайте, как работают системы сбора данных и каковы основные элементы современных систем сбора цифровых данных.

Главные функции аналого-цифровых преобразователей

Основное назначение АЦП в системе сбора данных заключается в преобразовании подготовленных аналоговых сигналов в поток цифровых данных, обрабатываемых системой сбора данных для отображения, хранения и анализа.

Основные типы аналого-цифровых преобразователей

Хотя на сегодняшний день существует пять основных типов АЦП, в сфере сбора данных все сводится к двум из них: 

• АЦП последовательного приближения и

• дельта-сигма. 

Другие типы тоже вполне эффективны, но лучше подходят для сфер применения, не связанных со сбором данных. Например, сдвоенные АЦП работают довольно медленно и поэтому применяются в основном в ручных вольтметрах.

Кроме того, существуют параллельные АЦП, которые обеспечивают чрезвычайно высокую частоту выборки, но их разрешение по амплитудной оси слишком низкое для нужд сбора данных. Конвейерные АЦП основаны на использовании нескольких параллельных преобразователей для повышения разрешения по амплитудной оси, но их возможности пока ограничены. 

Сравнение основных типов АЦП

Таким образом, специалисты в области сбора данных остановились на АЦП последовательного приближения (РПП) и дельта-сигма (ΔΣ) АЦП. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и, следовательно, пригоден для решения определенных задач. Рассмотрим принцип работы каждого АЦП и сравним их:

АЦП последовательного приближения (РПП)

«Рабочая лошадка» сферы обработки данных  — это аналогово-цифровой преобразователь РПП. Он обеспечивает превосходный баланс скорости и разрешения и обрабатывает широкий спектр сигналов с отменной точностью. 

Этот преобразователь существует уже давно, поэтому модели РПП стабильны и надежны, а чипы относительно недороги. Они могут быть настроены как для простых АЦП-карт, где один АЦП-чип «совместно используется» несколькими входными каналами (мультиплексные АЦП-платы), так и для моделей, где каждый входной канал имеет свой собственный АЦП для одновременной выборки. 

Аналоговый вход большинства АЦП составляет 5 В, поэтому почти все интерфейсы формирования сигнала преобразовывают его одинаково. Типичный АЦП последовательного приближения использует схему выборки и хранения, которая принимает преобразованное аналоговое напряжение от интерфейса преобразования сигнала.

Встроенная система обработки данных создает аналоговое опорное напряжение, равное выходному сигналу цифрового кода устройства выборки-хранения. Оба сигнала передаются в компаратор, который отправляет результат сравнения в РПП. Этот процесс продолжается в течение n последовательных раз, причем n является битовым разрешением самого АЦП, пока не будет найдено значение, ближайшее к фактическому сигналу.

АЦП последовательного приближения не имеют внутреннего механизма фильтрации-сглаживания, поэтому, если в системе сбора данных такой компонент не предусмотрен перед АЦП, при выборе слишком низкой частоты выборки ложные сигналы (они же «помехи») будут оцифрованы АЦП РПП. Искажение особенно проблематично, поскольку его невозможно исправить после оцифровки. 

Нет способа исправить его с помощью программного обеспечения. Оно должно быть предотвращено путем постоянной выборки на частоте, превышающей частоту Найквиста всех входных сигналов, либо путем фильтрации сигналов перед и внутри АЦП.

Дополнительные сведения см. в разделе «Искажение и опасность недостаточной частоты выборки» ниже

АЦП РПП — надежное решение для многих современных систем сбора данных. Они широко используются на рынке бюджетных устройств, поскольку их можно использовать в мультиплексном режиме, когда выборка по нескольким каналам осуществляется с помощью одного АЦП. Они также широко используются для устройств средней ценовой категории благодаря скорости и хорошему разрешению амплитудной оси. 

Из-за ограниченного разрешения амплитудной оси они не подходят для высокодинамичных измерений, включая шум, звук, удар и вибрацию, балансировку, обработку синусоидальных сигналов и т.д. Для таких сфер применения следует обратить внимание на дельта-сигма АЦП, как рассказывается в следующем разделе.

Дельта-сигма АЦП (ΔΣ)

Более новая технология — это дельта-сигма АЦП, использующие преимущества технологии ЦОС для повышения разрешения амплитудной оси и уменьшения высокочастотного шума квантования, присущего РПП.

Сложные и мощные дельта-сигма АЦП идеальны для динамических измерений, требующих как можно большего разрешения амплитудной оси. Именно их применяют при работе со звуком и вибрациями, а также во многих передовых системах сбора данных.

Фильтр нижних частот, реализованный в процессоре ЦОС, практически исключает шумы квантования, что обеспечивает отношение «сигнал-шум», близкое к идеальному. 

Реализация этих чипов в системах сбора данных обычно подразумевает интерфейсную фильтрацию-сглаживание, что практически исключает оцифровку ложных сигналов. 

При интеграции на уровне аналогового интерфейса с максимально возможной частотой выборки по Найквисту, а затем динамически через ЦОС-процессор в соответствии с выбранной частотой выборки, производительность фильтрации-сглаживания этих АЦП просто превосходна.

Сдвоенные дельта-сигма АЦП — DualCoreADC®

Компания Dewesoft также воспользовалась преимуществами этих АЦП, объединив два преобразователя на каждом входном канале. Один АЦП настроен на низкий коэффициент усиления, а другой — на более высокий. Оба АЦП отслеживают сигнал одновременно, а запатентованная схема сравнивает их в реальном времени и использует тот, который имеет лучшее соотношение «сигнал-шум» в любой момент времени, объединяя параллельные цифровые сигналы в непрерывный единый поток со значительно расширенным динамическим диапазоном.

Этот метод значительно расширяет динамический диапазон, чего невозможно было бы достичь с помощью одного АЦП. Он увеличивает динамический диапазон до целых 160 дБ. Компания Dewesoft запатентовала эту технологию, которая на рынке известна как DualCoreADC.

Интересно отметить, что даже при очень медленных сигналах, таких как от большинства термопар, максимально возможное разрешение амплитудной оси делает эти дельта-сигма АЦП предпочтительнее АЦП РПП.

Представьте себе термопару, способную измерять температуру в диапазоне 1500° — чем больше амплитудная ось на АЦП, тем большее разрешение будет иметь сигнал температуры. Учтите, что каждый бит эффективно удваивает разрешение вертикальной оси.

Что лучше? РПП или дельта-сигма?

Каждая технология АЦП имеет свои преимущества. И поскольку сферы применения слишком различны, нельзя сказать, что одна из них лучше другой в целом. Тем не менее, можно утверждать, что одна из них лучше другой по ряду критериев современных систем:

Подробнее о различных типах АЦ-преобразователей:

Оптимальный инструмент для работы

Хотя знаковыми решениями Dewesoft являются 24-битные дельта-сигма АЦП и технология DualCoreADC, компания также использует 16-битные АЦП последовательного приближения для достижения максимальной частоты выборки 1 Мвыб./с в линейке систем сбора данных SIRIUS. 

К ним относятся высокоскоростные преобразователи сигналов SIRIUS HS. В преобразователях сигналов стандартной и HD-серии используются 24-битные дельта-сигма АЦП.

Преобразователи сигналов SIRIUS HS реализуют мощную фильтрацию-сглаживание в форме фильтрации 100 кГц 5-го порядка. В цифровой области предусмотрен дополнительный фильтр (Бесселя, Баттерворта (или обходной) на выбор) вплоть до 8-го порядка.

Мощная фильтрация-сглаживание встроена во все 24-битные преобразователи сигналов АЦП от Dewesoft.

Мультиплексирование или один АЦП на канал

Очень часто в недорогих системах сбора данных, таких как регистраторы данных или промышленные системы управления, используются мультиплексные АЦ-платы, поскольку они дешевле, чем реализация отдельных чипов АЦП на каждый входной канал.

В мультиплексной АЦП-системе один аналого-цифровой преобразователь используется для преобразования нескольких сигналов из аналоговой формы в цифровую. Это реализуется путем мультиплексирования аналоговых сигналов в АЦП по одному.

Это более экономичный подход, однако невозможно точно выровнять сигналы по оси времени, поскольку только один сигнал может быть преобразован за один раз. Поэтому между каналами всегда существует временной перекос. Если небольшие искажения некритичны в данной сфере применения, то это необязательно плохо. То же самое относится и к аналоговым устройствам, используемым в системе: важен выбор оптимального решения с учетом функциональности и срока службы.

Кроме того, поскольку максимальная частота выборки всегда делится на количество считываемых каналов, максимальная частота выборки на канал в мультиплексных системах обычно ниже, за исключением случаев, когда регистрируется только один или небольшое число каналов.

Что касается современных систем сбора данных, мультиплексные АЦП используются в основном в бюджетных решениях, где стоимость важнее точности или скорости.

Что такое частота выборки?

Скорость, с которой преобразуются сигналы, называется частотой выборки. Некоторые области применения, такие как большинство измерений температуры, не требуют высокой скорости, поскольку сигналы изменяются не очень быстро.

Однако при анализе напряжения и силы переменного тока, ударов и вибрации, а также во многих других сферах применения требуются частоты выборки, составляющие десятки или сотни тысяч выборок в секунду и более. Частота выборки обычно называется осью измерения T (или X).

Компания Dewesoft предлагает системы сбора данных с максимальными частотами выборки, как показано ниже:

Искажение и опасность недостаточной частоты выборки

Понимание характера сигналов и их максимально возможных частот является важной частью точных измерений. Предположим, мы хотим измерить выходной сигнал акселерометра. 

Если мы ожидаем, что он будет испытывать колебания с максимальной частотой 100 Гц, мы должны установить частоту выборки по крайней мере в два раза больше (принцип Найквиста). На практике же для получения качественного сигнала лучше устанавливать частоту выборки в 10 раз больше. Поэтому в этом случае мы устанавливаем частоту выборки 1000 Гц и выполняем измерение.

Теоретически все как надо, но что, если частота сигнала при высокой амплитуде не увеличилась? Если это так, то наша система не сможет точно измерить или преобразовать сигнал. Кроме того, измеренные значения могут оказаться вовсе неверными.

Чтобы представить себе искажения из-за недостаточной частоты выборки, посмотрите старый фильм про проезжающий вагон, когда камеры еще снимали со скоростью 24 кадра в секунду: при разных скоростях это может выглядеть так, как будто колеса вращаются назад или же вообще не двигаются.

Это своего рода стробоскопический визуальный эффект, вызванный гармонической зависимостью между частотой вращения колеса и скоростью съемки камеры. Возможно, вам попадались видео, где кажется, что вертолет висит в воздухе, а его лопасти вообще не двигаются. Это происходит, если выдержка камеры была синхронизирована со скоростью вращения лопастей вертолета.

Это несущественно для кинематографии, но если мы занимаемся наукой, для нас невозможно серьезно полагать, что колеса автомобиля вращаются назад, а быстро вращающиеся лопасти вертолета не двигаются.

С точки зрения оцифровки сигналов напряжения с помощью АЦП важно, чтобы частота выборки была установлена соответствующим образом. Если задать слишком высокое значение, мы потратим впустую вычислительную мощность и в конечном итоге получим файлы данных, которые слишком велики и неудобочитаемы. Слишком низкая частота выборки, в свою очередь, порождает две проблемы:

1. утрата важных компонентов динамического сигнала;

2. получение ложных (искаженных) сигналов (если в системе отсутствует фильтрация-сглаживание).

Предотвращение искажения

Решения Dewesoft предотвращают искажение благодаря использованию 24-битных АЦП со встроенными фильтрами сглаживания. Эти фильтры работают в несколько этапов. Один из этапов включает автоматическую настройку на частоту Найквиста (обычно около 40%) от выбранной частоты выборки. Таким образом, даже если вы выберете слишком низкую частоту выборки, ложные или «искаженные» сигналы не смогут испортить измерение.

Что такое битовое разрешение и почему оно важно?

В эпоху зарождения сбора данных 8-битные АЦП были обычным явлением. На момент написания этой статьи 24-битные АЦП являются стандартом для большинства систем сбора данных, предназначенных для проведения динамических измерений, а 16 бит считаются минимальным разрешением для сигналов в целом. Существует ряд бюджетных систем, использующих 12-битные АЦП.

Поскольку каждый бит разрешения эффективно удваивает разрешение преобразования, системы с 24-битными АЦП обеспечивают 2^24 = 16 777 216. Таким образом входной одновольтный сигнал можно разделить на более чем 16 миллионов шагов по оси Y. 

16 777 216 шагов для 24-битного АЦП значительно лучше, чем максимальные теоретические 65 656 шагов для 16-битного АЦП. Таким образом, чем выше разрешение, тем лучше форма и точность волновых функций. То же самое применимо и к оси времени.

Технология DualCoreADC® и почему она важна

Одной из давних инженерных проблем с амплитудной осью является динамический диапазон. Например: что делать, если у нас есть сигнал, который обычно составляет менее 5 вольт, но иногда может резко колебаться вверх? Если мы установим разрешение АЦП в расчете на 0–5 В, то система будет полностью перегружена, если сигнал превысит этот уровень. 

Одним из решений было бы задействовать два канала, настроенных на разные коэффициенты усиления; и на один из них направлять данные 0–5 В, а на другой — с более высокой амплитудой. Но это очень неэффективно: мы не можем использовать два канала для каждого входного сигнала — это вдвое снизит производительность системы сбора данных. Также усложнится и затянется анализ данных после каждого измерения. 

Технология DualCoreADC® от компании Dewesoft решает эту проблему путем использования двух отдельных 24-битных АЦП на канал, а также автоматического переключения между ними в режиме реального времени и создания единого непрерывного канала. Эти два АЦП всегда измеряют высокий и низкий коэффициент усиления входного сигнала. Благодаря этому достигается полное измерение диапазона датчика и предотвращается отсечение сигнала.

Благодаря технологии DualCoreADC® системам сбора данных SIRIUS удается достичь соотношения «сигнал-шум» 130 дБ и более 160 дБ в динамическом диапазоне. Это в 20 раз лучше, чем могут обеспечить типичные 24-битные системы.

Выводы

Выбор технологии АЦП должен основываться на условиях применения. Если вы в основном имеете дело со статическими и квазистатическими (медленными) сигналами, вам нужна не сверхскоростная система, а как можно большее разрешение амплитудной оси. 

Фиксированные системы, используемые в промышленности, как правило, имеют стандартные требования, что упрощает задачу выбора.

Выбор в случае систем сбора данных сложнее: одна и та же система должна удовлетворять разным сферам применения. Прежде всего необходимо учитывать оптимальную производительность и защиту от шума, искажения и износа.

Ознакомьтесь с системами сбора данных компании Dewesoft с передовыми возможностями преобразования сигналов