Совершенствование цифровых фильтров в составе дельта-сигма аналого-цифровых преобразователей для измерительных каналов

• Автор: Каулио, Владимир Валерьевич
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 121 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1.

Обзор современных средств построения измерительного канала

и определение тенденций развития аналого-цифрового

преобразования на базе дельта-сигма (ДЕ) модуляции

1.1. Обзор современных методов повышения интеграции измерительного канала на базе ДЕ модуляции

1.2. Принцип ДЕ аналого-цифрового преобразования

и обзор структур ДЕ модуляторов

] .3. Построение ДЕ аналого-цифровых преобразователей (АЦП)
на переключаемых конденсаторах
1.4. Обзор современных измерительных ДЕАЦП
1.5. Постановка задачи дальнейших исследований
ГЛАВА 2.
Исследование помехоподавляющих свойств цифровых фильтров в составе измерительных ДЕАЦП и их развитие
2.1. Анализ одноступенчатых цифровых фильтров
в составе ДЕАЦП
2.2. Анализ двухступенчатых цифровых фильтров
в составе ДЕАЦП
2.3. Развитие цифровых фильтров в составе ДЕАЦП
для подавления помех с линейчатым спектром
2.4. Выводы по главе
ГЛАВА 3.
Разработка масштабирующих фильтров для повышения точности
аналого-цифрового преобразования на базе ДЕ модуляции
3.1. Описание метода масштабирования

3.2. Расчет импульсных характеристик 8тс-фильтров
3.3. Разработка масштабирующих фильтров
3.4. Анализ помехоподавляющих свойств
масштабирующих фильтров
3.5. Выводы по главе
ГЛАВА 4.
Практическая реализация и анализ новых методов повышения точности аналого-цифрового преобразования в измерительном канале на базе ДЕ модуляции
4.1. Разработка инструментария для имитационного моделирования
и анализа погрешности квантования ДЕАЦП
4.2. Моделирование цифровых фильтров, подавляющих помехи
с линейчатым спектром, и анализ погрешности квантования ДЕАЦП на их основе
4.3. Моделирование масштабирующих фильтров
и анализ погрешности квантования ДЕАЦП на их основе
4.4. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Измерительный канал является неотъемлемой частью информационноизмерительной системы, он обеспечивает восприятие информации об измеряемом процессе или объекте и ее преобразование в цифровой код для последующей обработки, сохранения и передачи. Качество измерительного канала во многом определяется используемым в нем аналого-цифровым преобразователем. В настоящее время в измерительных каналах информационно-измерительных систем, используемых, в частности, для решения задач измерения энергетических параметров мощных источников и приемников электрической энергии, а также измерения мощности и энергии слабых электрических и электромагнитных сигналов, широкое применение находят дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи (ЛЕАЦП). Измерительные ДЕАЦП отличаются относительно невысокой стоимостью, высокой точностью аналого-цифрового преобразования и высокой разрешающей способностью, разрядность серийно выпускаемых ДЕ преобразователей достигает 24 бит. Исследованию и развитию измерительных ДЕАЦП посвящена данная работа.
Свойства ДЕАЦП определяются качеством ДЕ модулятора и свойствами цифрового фильтра. ДЕ модулятор осуществляет квантование входного аналогового сигнала с частотой дискретизации, значительно превышающей частоту Котельникова, и формирует спектр шума квантования, смещая основную часть его энергии в область высоких частот. Цифровой фильтр, предназначенный для удаления шума квантования из измеряемого сигнала, определяет степень уменьшения погрешности квантования аналого-цифрового преобразователя, качество подавления внешних помех и в значительной мере обуславливает быстродействие преобразователя. Развитие ДЕАЦП идет по двум направлениям: совершенствование ДЕ модуляторов и цифровых
фильтров, входящих в ДЕ преобразователь. В настоящее время большинство
заполнения цифрового фильтра. Частота выходных отсчетов регулируется изменением частоты тактовых импульсов внешнего или внутреннего генератора. Отличительной особенностью ДЕАЦП фирмы Linear Technology является их устойчивая работа при превышении измеряемого диапазона в
1,5 раза.
Фирма Maxim Integrated Products выпускает интегральные AZALIJI МАХ 110/111 и МАХ 1400/01/02/03. Двухканальные Л1АЦП МАХ110/111 имеют разрядность 14 бит плюс знаковый разряд. Они построены на базе Д1 модулятора 1-го порядка (см. рис. 1.3) и цифрового Sinc-фильтра l-ro порядка. 6-канальные ДХАЦП МАХ 1400/01/02/03 имеют разрядность 18 бит, построены на базе АН модулятора 2-го порядка (см. рис. 1.7) и Sinc-фильтра 3-го порядка. Микросхемы МАХ1401/02/03 содержат источники тока. Микросхемы МАХ 1402/03 имеют в своем составе предварительный усилитель аналогового сигнала и цифро-аналоговый преобразователь для удаления напряжения смещения нуля. Считывание измеренных значений производится посредством интерфейса SPI. Цифровой Sinc-фильтр обеспечивает частоту выходных отсчетов равную частоте первого нуля его амплитудно-частотной характеристи ки.
Фирма Microchip Technology выпускает интегральные ДХАЦП ТС3400/01/02/03/04/05 на базе АН модулятора 1-го порядка (см. рис. 1.3) и цифрового Sinc-фильтра 2-го порядка. Частота выходных отсчетов регулируется в диапазоне 8...512герц, при этом достигается точность, соответствующая 10... 16 разрядам. Напряжение питания данных микросхем лежит в диапазоне 1,8...5,5 вольт. Обмен данными осуществляется по 2-проводному последовательному интерфейсу. Данные микросхемы отличаются количеством каналов измерения и периферией. ДЕАЦП ТС3400 имеет 1 дифференциальный аналоговый вход, ТС3401- 2 дифференциальных входа, ТС3402- 4 дифференциальных входа, ТС3403- 4 однополярных входа, ТС3404— 2 дифференциальных и 2 однополярных входа, ТС3405- 1 дифференциальный