14.3. Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровым преобразователем называют устройство, которое предназначено для преобразования аналоговой информации (обычно в виде напряжения) в цифровой код.

АЦП можно классифицировать по различным признакам. Наиболее распространёнными и важными из них являются:

• Принцип работы измерительной части преобразователя.

• Принцип получения цифрового эквивалента.

По последнему признаку АЦП можно разделить на 3 группы:

1. Преобразователи считывания.

2. Преобразователи последовательного счёта.

3. Преобразователи поразрядного уравновешивания.

Принцип работы измерительной части АЦП во многом определяет его точность, быстродействие и простоту схемы. В соответствии с этим признаком преобразователи первых двух групп (считывания и последовательного счета) можно разделить на 3 подгруппы:

• преобразователи прямого преобразования;

• преобразователи развёртывающего преобразования;

• преобразователи следящего преобразования.

По способу развёртывания во времени процесса преобразования АЦП делят на три типа:

• последовательные;

• параллельные;

• последовательно-параллельные.

Одна из возможных схем классификации АЦП представлена на рис. 14.4.

Рис. 14.4. Классификация АЦП

К последовательным относят АЦП с предварительным преобразованием напряжения в частоту, во временной интервал (U  f , U  ∆t), интегрирующего типа, последовательного приближения, следящего типа. Все эти АЦП позволяют получить высокую разрядность при невысоком быстродействии.

Параллельные АЦП преобразуют входной аналоговый сигнал в цифровой с помощью набора компараторов. Они являются самыми быстродействующими (до 100–400 МГц). Недостаток параллельных АЦП – резкое увеличение числа компонентов при увеличении разрядности выходного кода, что приводит к увеличению потребляемой мощности и габаритов кристалла.

Параллельно-последовательные АЦП комбинируют из малоразрядных параллельных АЦП.

14.3.1. Характеристики и параметры ацп

Основные параметры АЦП (диапазон изменения входного сигнала и выходного кода, число разрядов, временные параметры, статические и динамические погрешности) имеют тот же смысл, что и соответствующие параметры ЦАП. Поэтому здесь будут рассмотрены только некоторые особенности параметров АЦП.

Характеристика преобразования (ХП) – зависимость между значениями входного аналогового напряжения и выходного кода. Она может быть определена в виде таблиц, графиков или формул. Процесс квантования аналогового значения входного сигнала приводит к возникновению ошибки квантования, максимальное значение которой ± 1/2 единицы младшего разряда преобразователя. На рис. 14.5 приведены характеристика преобразования и график ошибки квантования трехразрядного АЦП. Ошибка квантования возникает в результате замены истинной величины отсчета входного сигнала ее дискретным эквивалентом в виде выходного кода и определяется как разность между графиками ступенчатой характеристики преобразования и идеальной прямой.

а б

Рис. 14.5. Таблица кодов преобразования (а) и характеристика преобразования с ошибками квантования (б)

Характеристика преобразования описывается рядом параметров:

• напряжением межкодового перехода (опорные напряжения, формируемые делителем опорных напряжений);

• шаг квантования – разность напряжений соседних межкодовых переходов;

• диапазон изменения входного напряжения.

Несоответствие номинальной и действительной характеристик преобразования определяет точностные параметры АЦП:

• напряжение смещения нуля:

• отклонение коэффициента преобразования от номинального значения;

• нелинейность;

• отклонение действительных значений шагов квантования характеристики преобразования от их среднего значения.

При преобразовании сигналов, изменяющихся во времени, возникают динамические погрешности. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность:

1. Время преобразования – время от момента начала измерения сигнала на входе АЦП до появления на выходе соответствующего устойчивого кода. Время преобразования определяет максимальную частоту преобразования.

2. Время задержки запуска – минимальное время с момента подачи скачкообразного сигнала на вход АЦП до момента подачи сигнала запуска АЦП. Это время обусловлено переходными процессами во входных цепях.

3. Время цикла кодирования (время преобразования t_пр с момента подачи скачкообразного сигнала на вход АЦП до появления устойчивого кода).

4. Максимальная частота преобразования – частота дискретизации входного сигнала. Максимальная частота ограничивается задержками в компараторах, шифраторе, выходных каскадах.

Динамическая составляющая погрешности связана с быстродействием преобразователя и скоростью изменения входного сигнала. Чем меньше время преобразования сигнала и скорость изменения входного сигнала, тем меньше динамическая составляющая погрешности. Для АЦП период Т_оп, с которым осуществляется опрос входного напряжения (подключение к нему АЦП), следует выбирать больше t_пр: Т_оп > t_пр, т. е. между скоростью преобразования 1/ t_пр и частотой опроса (f_оп= 1/ Т_оп) должно соблюдаться соотношение 1/ t_пр > f_оп. При этом следует учитывать, что по теореме Котельникова f_оп связана с наивысшей частотой f_тах в спектре непрерывного входного сигнала неравенством f_оп  2f_тах. Поэтому АЦП должен обладать скоростью преобразования 1/ t_пр > 2f_тах. При большом времени преобразования нужно будет увеличивать период опроса, чтобы избежать больших динамических искажений. Для их уменьшения следует выбирать АЦП с таким временем преобразования, за которое входной сигнал изменяется не более чем на разрешающую способность (входное напряжение, соответствующее приращению выходного кода на единицу в младшем разряде).