3.4.2 Характеристики цап и ацп
Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются: разрешающая способность, нелинейность, коэффициент преобразования (передачи), погрешность нуля (смещение нуля), абсолютная погрешность преобразования и погрешность полной шкалы, дифференциальная нелинейность, монотонность, время преобразования.
Разрешающая способность определяет число дискретных значений выходного сигнала преобразователя, составляющих его предел преобразования.
Нелинейность характеризуется отклонением значений реальной характеристики преобразователя от прямой.
Дифференциальная нелинейность определяется отклонением приращения выходного сигнала преобразователя от номинального значения младшего разряда при последовательном изменении значений кодового входного сигнала на единицу.
Монотонность преобразователя означает, что при каждом приращении входного сигнала происходит приращение выходного сигнала того же знака.
Коэффициент преобразования преобразователя определяет угол наклона его характеристики преобразования.
3.4.2.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦАП
Метрологические характеристики ЦАП.
1. Количество разрядов.
2. Диапазон изменения выходного сигнала.
3. Характеристики основной погрешности.
4. Характеристики дополнительных погрешностей.
5. Цена единицы младшего разряда входного кода.
6. Время установления выходного сигнала при смене входного кода.
7. Выходное сопротивление.
Кроме перечисленных могут дополнительно нормироваться следующие характеристики.
8. Интегральная нелинейность - максимальное отклонение значений функции преобразования ЦАП от номинальной линейной функции.
9. Дифференциальная нелинейность - погрешность единицы младшего разряда входного кода.
Источниками погрешности ЦАП являются: неточность изготовления сопротивлений, нестабильность рабочего тока и нестабильность питания. Кроме того, при переключениях ключей возникают переходные процессы. Погрешность может быть скорректирована с помощью регулировки коэффициента усиления выходного усилителя.
Время установления ЦАП определяется как интервал времени, в течение которого выходной аналоговый сигнал ЦАП при смене кодовой комбинации на его цифровых входах достигает своего установившегося значения с допускаемой погрешностью.
3.4.2.2 ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП
Метрологическими характеристиками АЦП являются:
1. Диапазон изменения входного напряжения.
2. Вид выходного кода и количество разрядов.
3. Входное сопротивление.
4. Цена единицы младшего разряда выходного кода.
5. Предел допускаемой основной погрешности.
6. Пределы допускаемых дополнительных погрешностей.
7. Длительность цикла преобразования.
В некоторых случаях к этим характеристикам добавляются
8. Интегральная нелинейность.
9. Дифференциальная нелинейность.
Погрешность может быть скорректирована с помощью регулировки значения опорного напряжения.
Время преобразования АЦП определяется как интервал времени, в течение которого выходной код преобразователя при скачкообразных изменениях входного аналогового сигнала достигает значения, отличающегося от установившегося не более, чем на значение допускаемой погрешности.
3.4.2.2.1 АЦП ПОРАЗРЯДНОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ
В АЦП поразрядного уравновешивания при его запуске компаратор начинает сравнивать входное (преобразуемое) напряжение с напряжением, поступающим с выхода ЦАП, которое в начальный момент равно 0.
Основная погрешность таких АЦП определяется:
- конечной чувствительностью компаратора, погрешностями изготовления сопротивлений в ЦАП и ограниченным количеством разрядов - аддитивная составляющая погрешности,
- погрешностью рабочего тока ЦАП - мультипликативная составляющая погрешности.
Динамической характеристикой АЦП поразрядного уравновешивания является длительность цикла преобразования или обратная величина - частота преобразования.
3.4.2.2.2 АЦП РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
АЦП развертывающего преобразования представляет собой, по сути дела, два последовательно включенных преобразователя: один преобразует напряжение в интервал времени, второй - интервал времени в код.
Основная погрешность подобных АЦП определяется качеством линейно нарастающего напряжения, а также конечной чувствительностью компаратора, его шумами.
3.4.2.2.3 АЦП «ЧАСТОТА – КОД»
Принцип действия этого АЦП основан на определении частоты, как количества импульсов (или количества периодов периодического сигнала) в единицу времени.
В конечном итоге погрешность подобного АЦП вызывается следующими причинами:
- нестабильностью частоты генератора, задающего время измерений,
- соотношением между измеряемой частотой и временем измерения.
Динамической характеристикой АЦП "частота - код" является время измерения.
3.4.2.2.4 АЦП «ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ – КОД»
АЦП данного типа применяются для преобразования в код интервала времени между двумя импульсами или длительности импульсов.
В конечном итоге погрешность подобного АЦП вызывается следующими причинами:
- нестабильностью частоты генератора, задающего время измерений,
- соотношением между измеряемой частотой и временем измерения.
Применение подобных АЦП для измерения частоты путем измерения периода предпочтительнее, чем применение АЦП "частота - код".
3.4.2.2.5 ИНТЕГРИРУЮЩИЕ АЦП
Интегрирующие АЦП предназначены для преобразования в код медленно меняющегося напряжения с подавлением помех от сети питания.
Из принципа действия интегрирующего АЦП следует, что минимальное время преобразования не может быть меньше 40 мс. Предельно достижимая погрешность подобных АЦП достигает 0,001% и лучше.
3.4.3. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.
Преобразователи строятся в основном по принципу параллельного преобразования на переключателях тока или напряжения и имеют два типа входов: аналоговый, на который подается опорное напряжение Uоп постоянного тока, определяющее масштаб цифро-аналогового преобразования, и цифровой, на который подается цифровой код Nвх, подлежащий преобразованию в аналоговый сигнал.
Если аналоговый вход допускает изменение входного опорного напряжения в широких пределах, то такой ЦАП называется умножающим.
ЦАП, допускающий подачу на аналоговый вход только фиксированного значения опорного напряжения, называется линейным.
АЦП можно разделить на программируемые и непрограммируемые.
По принципу действия - две группы: АЦП интегрирующего типа и АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений.
3.4.3.1 СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
На измерительный преобразователь с одним входом подается входной сигнал А(х), содержащий информативный параметр х измеряемой величины, (рис. 9,а).
Рис. 9. Преобразователи автоматических измерительных приборов
На
измерительный преобразователь с двумя
входами (рис.
9,б) подают
сигналы A
(x)
и А
(х),
функционально связанные с одним и тем
же информативным параметром х
измеряемой
величины.
Измерительные устройства с большим числом входов и несколькими информативными параметрами (рис. 9,в).
Структура конкретного АИП зависит от особенностей измеряемой величины.
Приборы для измерения времени, частоты и напряжения, как правило, имеют наиболее простую разомкнутую структуру.
Применение замкнутой структуры наиболее целесообразно при создании АИП для измерения величин, удобных для сравнения при условии наличия точных обратных преобразователей ОП.