6.9.2. Динамические параметры ацп

Возникновение динамических погрешностей связано с дискре­тизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.

Максимальная частота дискретизации (преобразования) — это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выхо­дит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

Время преобразования (t_пр) — это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или много-тактного интегрирования, эта величина является переменной, за­висящей от значения входного сигнала, для других, таких, как па­раллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, — примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

Время выборки (стробирования) — время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

6.9.3. Шумы ацп

В идеале, повторяющиеся преобразования фиксированного по­стоянного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако вследствие неизбежного шума в схемах АЦП существу­ет некоторый диапазон выходных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП постоянный сигнал и запи­сать большое число преобразований, то в результате получится не­которое распределение кодов. Если подогнать полученную гистог­рамму под нормальное распределение Гаусса, то стандартное откло­нение будет примерно эквивалентно среднеквадратическому зна­чению входного шума АЦП. В качестве примера на рис. 6.15 приве­дена гистограмма результатов 5000 преобразований постоянного входного сигнала, выполненных 16-разрядным двухтактным после­довательно-параллельным АЦП AD7884.

Рис. 6.15. Гистограмма результатов преобразования АЦП AD7884

Входное напряжение из диапазона 0... + 5 В было установлено по возможности ближе к центру кода. Как видно из гистограммы, все результаты преобразований распределены на шесть кодов. Среднеквадратическое значение шума, соответствующее этой гистог­рамме, равно 120 мкВ.

6.9.4. Параметры, характеризующие прохождения сигналов переменного тока

Эти характеристики имеют особое значение для скоростных АЦП, применяемых чаще всего в системах телекоммуникации.

Отношение сигнал/шум (SNR) — это отношение среднеквадратического значения входного сигнала к среднеквадратическому значению шума, который определяется как сумма всех остальных спектральных компонент, включая гармоники, но исключая постоянную составляющую для входного сигнала (-1 дБ от полной шкалы). Для идеального АЦП определяется по формуле SNR = (6,02N+1,76) дБ, где N— разрядность АЦП. Например, для иде­ального 12-разрядного АЦП получаем SNR=74 дБ.

Отношение сигнал/(шум + искажения) (SINAD) по смыслу мало отличается от рассмотренного выше отношения сигнал/шум (SNR), за исключением добавленных искажений, важных при конструировании аудио- и радиотехники. Сигнал — это среднеквадратическое значение основной гармоники. Шум + искажения — это среднеквадратическое значение суммы всех осталь­ных составляющих, вплоть до 1/2 частоты дискретизации, кроме основной гармоники и постоянной составляющей. Отношение зависит от числа уровней квантования в процессе преобразова­ния: чем больше уровней, тем меньше шум квантования. Теоре­тически отношение S/(N+D) для идеального АЦП можно оценить по формуле, аналогичной формуле для SNR.

Количество эффективных разрядов (ENOB). Если основным ис­точником погрешности являются собственные шумы АЦП, то ко­личество эффективных разрядов N=(SINAD-1,76)/6,02, где SINAD — это реальное значение отношения сигнал/(шум + иска­жения) для конкретного АЦП. Необходимо заметить, что большое влияние на этот параметр оказывают динамические характеристи­ки АЦП (скорость нарастания, время выборки УВХ и т.п.), которые делают N сильно зависимым от частоты входного сигнала.

Суммарный коэффициент гармоник (THD) — это отношение среднеквадратического значения суммы гармоник к среднеквадра­тическому значению основной гармоники, выраженное в децибелах. Определяется по формуле

где V₁ — среднеквадратическое значение основной гармоники, а V₂... V_i -среднеквадратические значения гармоник от второй до 1-й. Обычно i = 6 или 9.

Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR), — это выраженная в децибелах разность между среднеквадратическими значениями основной составляющей входного сигнала и максимальной паразитной составляющей (максимальной гармоникой или шумовой компонентой).

Интермодуляционные искажения (IMD). Когда на вход АЦП подается сигнал, представляющий собой сумму двух синусоид с разными частотами, f_a и f_b, то вследствие нелинейности характеристики преобразования в выходном коде будут присутствовать составляющие с суммарными и разностными частотами mf_a+ nf_b, где m,n=0,1,2,3,... Интермодуляционными членами называются те, для которых ни т, ни п не равны нулю. Например, члены второго порядка — (f_a+f_b) и (f_a-f_b), а члены третьего порядка — (2f_a+f_b), (2f_a-f_b), (f_a+2f_b) и (f_a-2f_b). Если АЦП тестируется с использованием международного стандарта CCIF, то на его вход подаются две синусоиды с частотами вблизи верхней граничной частоты входного сигнала. В этом случае частоты членов 2-го и 3-го порядков существенно различны. Члены 2-го порядка обычно значительно отстоят по частоте от входных синусоид, тогда как частоты членов 3-го порядка обычно близки ко входным частотам. Вследствие этого члены 2-го и 3-го порядков в спецификациях указываются раздельно. IMD вычисляется аналогично TND и равно отношению среднеквадратических значений сумм отдельных интермодуляционных искажений к среднеквадратическому значению основной гармоники, выраженному в децибелах.