СИГМА-ДЕЛЬТА АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ НА КОНДЕНСАТОРАХ И КОДЕРАХ МАНЧЕСТЕР II
SIGMA-DELTA ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER WITH GALVANIC ISOLATION ON CONDENSERS AND MANCHESTER II CODERS

Изобретение относится к устройствам аналого-цифрового преобразования и предназначено для построения систем телеметрии и цифровой обработки сигналов.
Из уровня техники известно огромное количество микросхем аналого-цифрового преобразования (АЦП). Они отличаются принципом и разрядностью преобразования, числом каналов, типом пользовательского интерфейса, электрическими характеристиками. В настоящее время популярны телеметрические системы, совмещающие цифровое процессорное ядро и аналоговые периферийные блоки, такие как АЦП, на одном кристалле. При этом внешние измерительные устройства (датчики) часто находятся на значительном удалении. В таких системах необходимо гальванически развязывать аналоговые каналы АЦП от внутренних шин микроконтроллера.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является архитектура микросхемы AD7401 фирмы Analog Device. Эта микросхема относится к классу сигма-дельта АЦП, принцип работы которых описан в документе [1]. Изоляция обеспечивается с помощью трансформаторных развязок. Сигнал от сигма-дельта модулятора поступает на вход кодера, который преобразует его в последовательность импульсов длительностью 1 нс по следующим правилам:
- переднему фронту соответствует 1 импульс;
- заднему фронту соответствуют 2 импульса.
Вторичная обмотка трансформатора воспроизводит импульсы закодированной последовательности, а декодер восстанавливает исходный сигнал и передает его на вход цифрового фильтра. Аналогичным образом обеспечивается изоляция по линии тактовой частоты. Главным недостатком такой реализации является наличие помех в выходном сигнале из-за наличия индуктивности в катушках трансформатора.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении помехоустойчивости в процессе преобразования аналогового сигнала в цифровой в заданном диапазоне.
Технический результат достигается тем, что сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с гальванической развязкой на конденсаторах и кодерах Манчестер II содержит блок аналоговой части сигма-дельта АЦП, включающий сигма-дельта модулятор и блок кодера Манчестер II, блок цифровой части сигма-дельта АЦП, включающий блок декодера Манчестер II и цифровой фильтр, при этом сигма-дельта модулятор состоит из первого и второго сумматоров, первого и второго интеграторов, компаратора и ключа, при этом на первый вход первого сумматора, являющийся первым входом сигма-дельта модулятора, поступает измеряемый аналоговый сигнал, вход первого интегратора соединен с выходом первого сумматора, первый вход второго сумматора соединен с выходом первого интегратора, вход второго интегратора соединен с выходом второго сумматора, первый вход компаратора соединен с выходом второго интегратора, на второй вход компаратора поступает сигнал тактовой частоты, выход компаратора, являющийся выходом сигма-дельта модулятора, соединен с первым входом блока кодера Манчестер II и по обратной связи через ключ с вторыми входами первого и второго сумматоров соответственно, выход блока кодера Манчестер II соединен через первый развязывающий конденсатор с первым входом блока декодера Манчестер II, выход которого соединен с первым входом цифрового фильтра, выход цифрового фильтра является выходом заявленного устройства, внешний тактовый сигнал поступает на вторые входы блока декодера Манчестер II и цифрового фильтра соответственно, а также через второй развязывающий конденсатор на вторые входы сигма-дельта модулятора и блока кодера Манчестер II соответственно.
Структурная схема заявленного изобретения представлена на фигуре 1, где:
1. Блок аналоговый сигма-дельта АЦП;
2. Сигма-дельта модулятор;
3. Блок кодера Манчестер II;
4. Первый развязывающий конденсатор;
5. Второй развязывающий конденсатор;
6. Блок цифровой сигма-дельта АЦП;
7. Блок декодера Манчестер II;
8. Цифровой фильтр.
Структурная схема сигма-дельта модулятора (поз.2 на фигуре 1) представлена на фигуре 2, где:
9. Первый сумматор;
10. Первый интегратор;
11. Второй сумматор;
12. Второй интегратор;
13. Компаратор;
14. Ключ.
На фиг.3 представлены временные диаграммы работы.
Принцип работы заявленного изобретения заключается в следующем.
Блок аналоговой части сигма-дельта АЦП (1), состоящий из сигма-дельта модулятора (2) (см. фиг.1, 2) и блока кодера Манчестер II (3), преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой бинарный поток данных, позволяет передавать цифровой бинарный поток в цифровую часть без привязки к потенциалу общего провода микросхемы. Блок цифровой сигма-дельта АЦП (6), состоящий из блока декодера Манчестер II (7) и цифрового фильтра (8), реализует преобразование 1-битной последовательности, поступающей от сигма-дельта модулятора (2), в 14-битные отсчеты. Цифровой фильтр предназначен для преобразования последовательности сигнала в многоразрядный код. Изоляционный барьер разделяет аналоговую (блок аналоговой части сигма-дельта АЦП (1)) и цифровую (блок цифровой части сигма-дельта АЦП (6)) части, которые связаны посредством двух цепей: линии сигнала тактовой частоты и линии данных. Основным элементом изоляционного барьера являются первый и второй развязывающие конденсаторы (4, 5), которые пропускают лишь высокочастотную составляющую проходящих через них сигналов и отфильтровывают постоянную составляющую. Этого достаточно, чтобы обеспечить гальваническую развязку по линии сигнала тактовой частоты, т.к. полезная часть сигнала тактовой частоты является высокочастотной. Сигнал данных в свою очередь является сигналом произвольной формы и может быть представлен во всем частотном диапазоне. Соответственно, чтобы гарантировать сохранение полезной информации, передаваемой по линии данных, необходимо предпринять дополнительные меры.
При совершении операции логического «исключающее или» над сигналом тактовой частоты и сигналом линии данных в результате получится сигнал переменной частоты, несущий при этом полезную информацию линии данных. Такой метод кодирования называется Манчестер II и позволяет преодолеть изоляционный барьер, сохранив необходимую информацию.
Работа по схемам (см. фиг.2 и фиг.3) выглядит следующим образом.
Сигнал тактовой частоты (А) напрямую поступает в цифровой блок сигма-дельта АЦП, а также через второй развязывающий конденсатор в аналоговый блок сигма-дельта АЦП (В). Сигма-дельта модулятор на основании входного аналогового сигнала (С) и сигнала тактовой частоты (В) формирует модулированную последовательность данных (D). Последовательность данных (D) получается следующим образом.
оп.
оп.
3
Аналоговый сигнал (С) поступает на вход первого сумматора (9), в котором происходит вычитание из него сигнала обратной связи, также поступающего на вход первого сумматора. Сигнал с выхода первого сумматора поступает на вход первого интегратора (10), где происходит его накопление. Сигнал с выхода первого интегратора поступает на вход второго сумматора (11), в котором происходит вычитание из него сигнала обратной связи (см. фиг.2), также поступающего на вход второго сумматора. Сигнал с выхода второго сумматора поступает на вход второго интегратора (12), где происходит его накопление. Сигнал с выхода второго интегратора поступает на вход компаратора (13), куда также поступает сигнал тактовой частоты (В). Если значение напряжения на выходе второго интегратора положительное, выходной сигнал компаратора равен "1", если отрицательное, то "0". Выход компаратора обновляется по сигналу тактовой частоты. Выходной сигнал компаратора является выходным сигналом сигма-дельта модулятора. Кроме этого, выходной сигнал компаратора управляет ключом (14) в цепи обратной связи, если сигнал компаратора равен "1", сигнал обратной связи равен +U (опорное напряжение), если "0", то -U. Эта последовательность поступает на вход блока кодера Манчестер II, куда также поступает сигнал тактовой частоты (В). Блок кодера Манчестер II выполняет над входными сигналами операцию "исключающее или". Преобразованная последовательность с выхода блока кодера Манчестер II (Е) через первый развязывающий конденсатор поступает на вход блока декодера Манчестер II (F), который представляет собой D-триггер, тактируемый сигналом тактовой частоты (А). Восстановленная последовательность с выхода блока декодера Манчестер II (G) поступает на вход фильтра, с передаточной характеристикой (Sin(x)/x), который формирует выходной 16-разрядный код (Н).
В процессе эксплуатации данного сигма-дельта АЦП с пользовательским интерфейсом, изолированным по постоянному току от аналогового канала, удалось получить следующие характеристики:
- изоляция по постоянному току (предельное напряжение 40 В) аналогового тракта от пользовательского интерфейса;
- выходные отчеты - 12-16 разрядов;
- частота дискретизации до 100 кГц;
- напряжение питания 3.3 В ± 20%;
- диапазон входных напряжений ±2 В.
Список литературы
1. Max W. Hauser, "Principles of Oversampling A/D Conversion", журнал Audio Engineering Society, Vol.39, No. 1/2, 1991 г.