Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – аналого-цифровой узел (устройство), выполняющее преобразование входного аналогового сигнала в цифровой.

АЦП являются устройствами, принимающими входные непрерывные сигналы от аналоговых устройств и выдающими на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.

АЦП широко применяются в различных областях, являясь неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем и устройств обработки и отображения информации, автоматических систем контроля и управления, устройств ввода-вывода информации ЭВМ и т.д.

Характеристика преобразования (ХП) АЦП – зависимость между значениями входного аналогового сигнала (напряжения) и выходного кода.

Преобразование обеспечивает соответствие дискретного отсчета х(ti) значению кода Nti. Количественная связь для любого момента времени ti определяется соотношением

, (3.8)

где dNti – погрешность преобразования на данном шаге.

Физически процесс аналого-цифрового преобразования состоит из квантования и кодирования.

Округление – этап квантования аналогового сигнала в АЦП, при котором осуществляется переход к ближайшему уровню квантования.

Усечение – этап квантования аналогового сигнала в АЦП, при котором осуществляется переход к ближайшему меньшему уровню квантования.

Процесс квантования аналогового значения приводит к возникновению ошибки квантования, максимальное значение которой при округлении равно половине единицы младшего разряда (ЕМР) преобразователя ±1/2 · Dx, а при усечении равно Dx.

Среднее значение ошибки АЦП при округлении равно 0, а при усечении – Dx/2. Дисперсия (средняя мощность) шумов квантования при равномерном распределении плотности вероятности равна

. (3.9)

На рис. 3.4, а приведена характеристика преобразования, а на рис. 3.4, б – график ошибки квантования трехразрядного АЦП для нормированного входного сигнала.

Рис. 3.4. Характеристика квантования и график ошибок квантования

Инструментальная погрешность АЦП обусловлена несовершенством отдельных элементов схемы и влиянием на них различных дестабилизирующих факторов. Инструментальная погрешность приводит к тому, что характеристики квантования реальных АЦП отличаются от идеальной, приведенной на рис. 3.4, а. При большой разрядности АЦП точную (нелинейную) модель ошибок заменяют линейной (статистической). Если середины ступеней идеальной ломаной линии характеристики квантования соединить, то получится прямая с единичным наклоном, выходящая из начала координат (на рисунке – штриховая линия).

Линейная модель АЦП – математическая модель АЦП, применяемая при аддитивном шуме квантования.

В реальных АЦП эта прямая не проходит через нуль (погрешность смещения нуля) и ее наклон отличается от единичного (погрешность коэффициента передачи).

Погрешности смещения нуля АЦП – статические погрешности, вызванные смещением выходного кода на величину, пропорциональную погрешности.

Погрешность коэффициента передачи в диапазоне преобразования сигнала вызывает постоянное относительное отклонение выходного значения от истинного, а погрешность смещения нуля обусловливает постоянную абсолютную погрешность. Кроме того, в реальных характеристиках имеет место отклонение усредненной характеристики квантования от идеальной прямой во всем диапазоне изменения входного сигнала (погрешность нелинейности).

Нелинейность АЦП – отклонение действительного значения входного напряжения, соответствующего заданной точке ХП, от значения, определяемого по линеаризованной ХП в той же точке.

С точки зрения статической точности работы, исчерпывающей характеристикой АЦП является его реальная характеристика квантования.

Статические погрешности АЦП – погрешности, вызванные технологией изготовления аппаратуры, влиянием дестабилизирующих факторов окружающей среды, старением элементов, погрешности за счет собственных и наводимых шумов.

Рассмотренные статические погрешности характеризуют работу преобразователей при постоянных или квазипостоянных (постоянных на интервале преобразования) сигналах.

При преобразовании сигналов, изменяющихся во времени, возникают динамические погрешности, которые характеризуют, во-первых, ранее рассмотренными параметрами – периодом (частотой) квантования, временем преобразования, во-вторых, – апертурной погрешностью.

Динамические погрешности АЦП – погрешности, связанные с процессом квантования сигнала по времени, влиянием паразитных емкостей в электронных схемах и т.д.

Погрешность, возникающая из-за несоответствия входного сигнала преобразованному цифровому значению, называется апертурной погрешностью АЦП. Несоответствие возникает, если входной сигнал в течение времени преобразования изменяется более чем на единицу младшего разряда. Таким образом, при изменяющемся во времени входном сигнале создается неопределенность в том, каким в действительности было мгновенное значение входного сигнала в момент выборки.

Время между моментом фиксации мгновенного значения входного сигнала (моментом отсчета) и моментом получения его цифрового эквивалента называется апертурным временем.

Апертурная погрешность определяется приращением входного, переменного во времени сигнала АЦП за время преобразования. Точное значение апертурной погрешности можно определить, разложив выражение для входного сигнала uвх(t) в ряд Тейлора около точек отсчета, которое для i-й точки имеет вид

В первом приближении апертурная погрешность может быть представлена в следующем виде:

(3.10)

где ta – апертурное время, которое для рассматриваемого случая равно времени преобразования
tпр АЦП.

Предположим для более простого восприятия, что входной сигнал имеет синусоидальную форму

uвх(t) = umsin2pft.

Для такого сигнала максимальное относительное значение апертурной погрешности будет таким:

Dua/um=2pfta.

Если принять, что для n-разрядного АЦП (с разрешающей способностью 2-n) апертурная погрешность не должна превышать значения шага квантования (рис. 3.5), то между частотой сигнала f, апертурным временем ta и относительной апертурной погрешностью имеет место соотношение

.

Рис. 3.5. Апертурная погрешность

Для уменьшения динамической (апертурной) погрешности АЦП обычно используются устройства выборки и хранения (УВХ), включаемые между входом АЦП и выходом источника аналогового сигнала. Их работа основана на принципе фиксации мгновенного значения изменяющегося во времени входного сигнала uвх(t) на время, необходимое для последующего преобразования в АЦП. УВХ имеет два устойчивых режима работы: выборки и хранения.

В режиме выборки (слежения) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения преобразуемого сигнала uвх(t) и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить (запоминать) на выходе мгновенное значение преобразуемого входного сигнала. Так как УВХ запоминает входной сигнал АЦП в момент времени, точно определяемый командой хранения, апертурное время (и погрешность) АЦП существенно снижается и определяется, в основном, апертурным временем УВХ – максимальным временем от момента подачи команды на хранение до момента начала перехода схемы в данный режим. Апертурное время обусловлено конечным временем переключения ключа, входящего в состав УВХ, при переходе схемы от выборки к хранению.

В УВХ входят: ОУ, выполняющие роль буферов между входом АЦП и запоминающим элементом; ключи, обеспечивающие переход схемы из режима хранения, и наоборот; схемы управления ключами; аналоговые запоминающие элементы (конденсаторы). В качестве примера можно указать ИМС УВХ, выпускаемые серийно, типа КР1100СК2.

• Назад
• Вперёд