7.8.2 Характеристики ацп

Характеристики АЦП подобны характеристикам ЦАП. Кроме того, почти все сказанное о характеристиках ЦАП справедливо и для характеристик АЦП. Они тоже чаще являются типовыми, нежели минимаксными характеристиками и могут быть заданы только для номинального значения температуры и постоянных величин источников питания. Основное отличие заключается в том, что выходной сигнал АЦП представляет собой последовательность цифровых кодов. По этой причине точность и разрешающую способность, как и большинство других характеристик, следует давать скорее в цифровых единицах, чем в аналоговых. Например, разрешающую способность давать в разрядах. Так как число разрядов определяет число дискретных кодов на выходе, на которое может быть разбит входной сигнал, правомерно говорить о 8-, 12- или 16-разрядном АЦП.

Преобразователь с n разрядами необязательно является n-разрядным преобразователем. Только то, что АЦП выдает на выходе n двоичных разрядов или ЦАП принимает n разрядов на своем входе, не означает, что он также имеет разрешающую способность n разрядов или точность n разрядов. Конечно, разрешающая способность не может быть лучше, чем число имеющихся разрядов. Тем не менее есть много факторов, которые могут препятствовать тому, чтобы разрешающая способность реального преобразователя соответствовала числу выдаваемых или принимаемых им разрядов.

Все аналоговые цепи имеют внутренний шум. Если среднее квадратическое значение шума, приведенного ко входу АЦП или к выходу ЦАП, больше, чем определенная часть единицы МР, то вследствие только этого фактора разрешающая способность устройства не будет равна n разрядам. (Большинство заслуживающих доверия фирм-изготовителей преобразователей оговаривают уровень шума через 3σ шума, который сам равен шести средним квадратическим значениям. Уровень 3σ есть такой уровень, для которого вероятность того, что мгновенное значение шума превысит этот уровень, меньше 1/500 или 0,2%). Точность также можно давать в разрядах. Следовательно, оценка точности в ± 1/2 МР является справедливой.

При рассмотрении точности передачи преобразователя необходимо различать относительную точность, линейность и абсолютную точность. Абсолютная точность есть способность АЦП создавать выходной код, который отражает входное напряжение в единицах стандартного вольта. Если требуется абсолютная точность, то в состав преобразователя должен входить источник опорного напряжения, поверяемый в Национальном бюро стандартов.

Как упоминалось ранее, относительная точность и линейность в общем равнозначны. Обе характеризуют степень постоянства масштабного коэффициента передачи преобразователя по его диапазону относительно прямой линии, наилучшим образом проведенной через все точки его характеристики. Проведенная оптимальным образом прямая линия необязательно может проходить через нуль, и отклонение от нуля называется смещением. Все преобразователи имеют некоторое смещение, а размер смещения и его изменения с температурой могут быть очень важны в ряде применений. Точность АЦП определяют еще четыре дополнительных фактора, которые не оговариваются для ЦАП. Это погрешность квантования, пропуск кодов, апертурная ошибка и дифференциальная линейность.

Поскольку дискретный цифровой код отображает интервал аналоговых напряжений, имеет место погрешность квантования. Ширина такого интервала равна 1 МР. Так как АЦП по своей сути разбивает линейный сигнал на дискретные ступени, он квантует этот сигнал. Внутренне любому АЦП присущая погрешность квантования равна ± 1/2 МР. Она занимает особое место среди любых других составляющих, вносящих вклад в общую погрешность преобразователя.

Если входное напряжение находится в интервале значений, который должен отображаться конкретным кодом, а этот код отсутствует, то считают, что происходит пропуск кода. На его месте появляется код, либо непосредственно предшествующий требуемому коду, либо непосредственно следующий за ним. Некоторые преобразователи обеспечивают отсутствие пропусков кода, большинство же — нет. Если может происходить пропуск кодов, то ставится под сомнение, будет ли разрешающая способность равна ожидаемой.

Апертурная погрешность в преобразователе возникает из-за неопределенности преобразуемого входного напряжения относительно истинного значения, если входной сигнал в течение времени преобразования изменяется более чем на эквивалент 1 МР. Например, неизвестно, будет ли выходной код отображать сигнал, относящийся к началу периода преобразования, или сигнал, относящийся точно к концу периода преобразования. Большинство преобразователей дают код, соответствующий сигналу в начале периода преобразования. Другие нет. Только очень немногие фирмы-изготовители приводят апертурную погрешность в качестве характеристики в табличных данных.

Дифференциальная линейность есть разность в размере ступеней квантования, представленных цифровыми выходными кодами. Например, если один код отображает 10 мВ диапазона входного сигнала, а другой только 8 мВ, дифференциальная линейность равна 2 мВ. Если младшему разряду соответствует 10 мВ, то дифференциальная линейность, вероятно, может быть определена как ± 1/2 МР, поскольку выходной сигнал является цифровым и его ошибки должны быть выражены в цифровой форме.

Существуют также и другие погрешности, такие, как погрешность линейности, смещения, масштаба или коэффициента передачи. Те же самые проблемы, что и в ЦАП, возникают в АЦП. Это справедливо для погрешностей, температурных коэффициентов и шума.

При попытке сравнить АЦП разработчик сразу же сталкивается с проблемой: как лучше характеризовать быстродействие преобразователей — временем преобразования, как это делают некоторые фирмы-изготовители, или частотой преобразования слова, как утверждают другие? Большинство фирм-изготовителей модульных АЦП в своих табличных данных указывают только время преобразования, и приходится допускать, что оно является величиной, обратной частоте преобразования слова.

На самом деле и время преобразования, и частота преобразования слова, оговариваемые всеми фирмами-изготовителями аппаратуры, включающей АЦП, важны для разработчика. Ему необходимо знать не только, сколько времени от входа до выхода может протекать отдельное преобразование (время преобразования), но также и сколько преобразований он может совершить за данный период времени (частота преобразования).

К тому же между преобразованиями необходим холостой интервал времени, называемый временем возвращения в исходное состояние. Это есть время, которое требуется системе для считывания результата и восстановления свойств ее усилителей. Его редко приводят, тем не менее оно обычно имеет порядок нескольких сотен наносекунд. Для получения частоты преобразования сначала можно определить обратную ей величину, для чего к времени преобразования необходимо прибавить время восстановления.

Кроме того, следует помнить, что для правильной работы в системе модуль быстродействующего АЦП должен содержать устройство выборки и хранения, а иногда и буферные усилители. Поэтому скорость преобразования модуля АЦП, рекомендуемого в качестве 1-микросекундного, уже не составляет величины, определяемой 1 мкс, если учесть все другие компоненты системы, а может иметь скорость, считая от входа до выхода системы, определяемую значением 10 мкс или хуже.

Температурный коэффициент (ТК) иногда приводится в виде единственного значения или оговаривается отдельно для каждого из указанных нескольких параметров: для смещения, коэффициента передачи и диапазона.