Аналого-цифровые преобразователи

Виды аналого-цифровых преобразователей и их особенности. Аналого-циф­ровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопро­тивления, емкости и др.) в цифровой код. Наиболее часто входной величиной является напряжение. Все другие величины перед подачей на такой АЦП нужно предварительно преобразовывать в напряжение. Однако на практике находят применение также преобразователи, например, сопротивления или емкости в циф­ровой код без промежуточного преобразования в напряжение. Обычно это по­зволяет уменьшить погрешность преобразования, но усложняет проектирование преобразователя и его изготовление. Последнее объясняется тем, что серийные промышленные микросхемы АЦП предназначены только для работы с напряже­нием. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только преобразователи напря­жения в цифровой код.

В связи с этим все типы АЦП можно разделить на две группы: АЦП мгновен­ных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения. Так как опера­ция усреднения предполагает интегрирование мгновенного значения напряжения, то АЦП средних значений часто называют интегрирующими.

При преобразовании напряжения в цифровой код используются три независи­мых операции: дискретизация, квантование и кодирование. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразо­вание непрерывной функции напряжения u(t)в последовательность чисел u(t_n),где u = 0,1,2..., отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция u(t)преобразуется в последовательность ее отсчетов, как показано на рис. 75, а.

Вторая операция, называемая квантованием, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функ­ция u(t) принимает вид ступенчатой кривой u_K(t),показанной на рис. 75, б, а кван­тованные величины – вид цифрового кода, т. е. последовательности цифр, под­чиненных определенному закону.

Рис. 75

С помощью операции кодирования осуществляется условное представление величины напряжения.

В основе дискретизации сигналов лежит принципиальная возможность пред­ставления их в виде взвешенных сумм:

u(t) = Σ a_nf_n(t),

где а_n– некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени, f_n(t) – набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

При использовании в АЦП двоично-десятичных кодов каждая значащая деся­тичная цифра представляется четырьмя двоичными знаками и содержит десять значений сигнала от 0 до 9. Так, например, десятичное число 10 можно предста­вить как 0001 0000, а число 99 можно представить в виде 1001 1001.

Так как при кодировании четырьмя двоичными знаками можно получить 16 кодовых значений, то приведенное двоично-десятичное представление не является единственным. Наиболее широко используют коды, в которых цифрам в тетрадах присваивают веса 8-4-2-1 или 2-4-2-1:

Основные характеристики АЦП.Любой АЦП является сложным электрон­ным устройством, которое может быть выполнено в виде одной интегральной микросхемы или содержать большое количество различных электронных компо­нентов. В связи с этим характеристики АЦП зависят не только от его построения, но и от характеристик элементов, которые входят в его состав. Тем не менее большинство АЦП оценивают по их основным метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим характеристикам АЦП относят: абсолютные значения и поляр­ности входных сигналов, входное сопротивление, значения и полярности выход­ных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжений и токов источников питания, количество двоичных или десятичных разрядов выходного кода, погрешности преобразования постоянного напряжения и др. К динамическим па­раметрам АЦП относят: время преобразования, максимальную частоту дискрети­зации, апертурное время, динамическую погрешность и др.

Рассмотрим некоторые из этих параметров более подробно. Основной харак­теристикой АЦП является его разрешающая способность, которую принято опре­делять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающую способность можно выражать в процентах, в количе­стве разрядов или в относительных единицах. Например, 10-разрядный АЦП име­ет разрешающую способность (1024)^ = 10~³ = 0,1 %. Если напряжение шкалы для такого АЦП равно 10 В, то абсолютное значение разрешающей способности будет около 10 мВ.

Реальное значение разрешающей способности отличается от расчетного из-за погрешностей АЦП. Точность АЦП определяется значениями абсолютной погрешности, дифференциальной и интегральной нелинейности. Абсолютную по­грешность АЦП определяют в конечной точке характеристики преобразования, поэтому ее обычно называют погрешностью полной шкалы и измеряют в едини­цах младшего разряда.

Дифференциальную нелинейность (DNL)определяют через идентичность двух соседних приращений сигнала, т. е. как разность напряжений двух соседних квантов: DNL = h_i – h_i+1.Определение дифференциальной нелинейности показано на рис. 76, а.

Интегральная нелинейность АЦП (INL) характеризует идентичность прираще­ний во всем диапазоне входного сигнала. Обычно ее определяют, как показано на рис. 76, б,по максимальному отклонению сглаженной характеристики преобра­зования от идеальной прямой линии, т. е. INL = u'_i-u_i.

Время преобразования Т_пробычно определяют как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого кода входного сигна­ла. Для одних типов АЦП это время постоянное и не зависит от значения входно­го сигнала, для других АЦП это время зависит от значения входного сигнала. Если АЦП работает без устройства выборки и хранения, то время преобразова­ния является апертурным временем.

Максимальная частота дискретизации – его частота, с которой возможно преобразование входного сигнала, при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы.

Рис. 76. Определение дифференциальной нелинейности (а)
и интегральной нелинейности (б)

Иногда максимальную частоту преобразования принимают равной обратной величине времени преобразования. Однако это пригодно не для всех типов АЦП.

Принципы построения АЦП.Все типы используемых АЦП можно разделить по признаку измеряемого значения напряжения на две группы: АЦП мгновенных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения (интегрирующие АЦП).

АЦП мгновенных значенийможно разделить на следующие основные виды: пос­ледовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллель­но-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервал времени.

Структурная схема АЦП последовательного счета приведена на рис. 77. Она содержит компаратор, при помощи которого выполняется сравнение входно­го напряжения с напряжением обратной связи. На прямой вход компаратора поступает входной сигнал u_ВХ, а на инвертирующий – напряжение u₅обратной связи. Работа преобразователя начинается с приходом импульса «ПУСК» от схе­мы управления (на рисунке она не показана), который замыкает ключ S. Через замкнутый ключ S импульсы u₁ от генератора тактовых импульсов поступают на счетчик, который управляет работой цифроаналогового преобразователя (ЦАП). В результате последовательного увеличения выходного кода счетчика N происхо­дит последовательное ступенчатое увеличение выходного напряжения u₅ ЦАП. Питание ЦАП выполняется от источника опорного напряжения u₄-.

Когда выходное напряжение ЦАП сравняется с входным напряжением, про­изойдет переключение компаратора и по его выходному сигналу «СТОП» ра­зомкнётся ключ S. В результате импульсы от генератора перестанут поступать на вход счетчика. Выходной код, соответствующий равенству и_м – и₅, снимается с выходного регистра счетчика.

Графики, иллюстрирующие процесс преобразования напряжения в цифровой код, приведены на рис.77, б. Из этих графиков видно, что во время преобразования переменное u зависит от уровня входного сигнала. При числе двоичных разрядов счетчика, равном п,и периоде следования счетных импульсов Т максимальное время преобразования можно определить по формуле:

Т_ПР = (2ⁿ – 1)T.

Так, например, при n = 10 разрядов и Г = 1 мкс (т. е. при тактовой частоте
1 МГц) максимальное время преобразования равно

T_ПР = (2¹⁰–1) = 1024 мкс~ 1мс,

что обеспечивает максимальную частоту преобразования около 1 кГц.

Рис. 77. Структурная схема АЦП последовательного счета (а)
и графики процесса преобразования (б)

Уравнение преобразования АЦП последовательного счета можно записать в виде:

k∆U = u_BX,

где 0 < к < п – число ступеней до момента сравнения, A = h – значение одной ступени.