6.2. Основные параметры цап.

Число разрядов n определяет максимальное количество кодовых комбинаций на входе ЦАП, равное 2ⁿ.

Разрешающая способность характеризует возможность ЦАП различать смежные значения входного кода. Определяется параметр минимально возможным изменением выходного аналогового сигнала при изменении входного кода на единицу младшего значащего разряда: U_ОП/(2ⁿ-1).

Абсолютная погрешность преобразования _пш – отклонение выходного напряжения от расчётного в конечной точке характеристики преобразования. Абсолютная погрешность чаще всего выражается в долях младшего разряда и не должна превышать 0,5 младшего разряда.

Частично абсолютная погрешность устраняется начальной установкой нуля и регулировкой опорного напряжения.

Нелинейность _л – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от теоретической (прямой линии, соединяющей точку нуля и максимального выходного сигнала). Определяется в долях младшего разряда или в процентах от полной шкалы. Подстройкой не компенсируется.

Дифференциальная нелинейность _лд – максимальное отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующих соседним кодам, от значения младшего разряда. Определяется как и _л. Подстройкой не компенсируется.

Время установления t_уст – интервал времени от подачи входного кода до момента, когда выходной сигнал достигнет установившегося значения с заданной абсолютной погрешностью. Это время определяет общее быстродействие ЦАП.

6.3. Аналого-цифровые преобразователи.

В АЦП происходит квантование входного напряжения по уровням с соответствующим отображением в виде цифрового кода.

Основные методы преобразования, используемые в микросхемах АЦП, подразделяются на методы последовательного счёта, последовательного приближения и параллельного действия.

АЦП последовательного счёта реализуются с промежуточным преобразованием входного напряжения чаще всего во временной интервал.

Частным случаем подобных преобразователей, нашедшим наибольшее применение, является АЦП интегрирующего типа.

Рассмотрим принцип работы таких преобразователей на примере одного из вариантов АЦП с однотактным интегрированием.

При пуске преобразователя снимается сигнал запрета с R-входа счётчика и на короткое время замыкается ключ, давая возможность конденсатору зарядиться до мгновенного значения входного напряжения. После размыкания ключа конденсатор сохраняет заряд в течение цикла преобразования.

Под действием тактовых импульсов суммирующий счётчик начинает заполняться, вызывая на выходе ЦАП линейно нарастающее напряжение.

Когда это напряжение становится равным напряжению на конденсаторе, компаратор переключается и в регистр записывается двоичное число, сформированное счётчиком к этому моменту времени:

N_X = t₁F_T = 2ⁿU_ВХ/U_MAX .

Далее интегрирование продолжается и в момент переполнения счётчика на его R-входе устанавливается сигнал запрета.

На этом цикл преобразования заканчивается, хотя тут же может начаться вновь по сигналу управления U_У.

Основным недостатком АЦП последовательного счёта является низкое быстродействие, обусловленное процессом интегрирования входного напряжения. С целью доказательства этого утверждения оценим максимальную ширину спектра входного сигнала.

Величина цикла преобразования Т_Ц = 2ⁿ/F_T или предельная частота следования отсчётов входного сигнала F_O = 1/T_Ц = F_T/2ⁿ .

Тогда, согласно теореме Котельникова, ширина спектра входного сигнала F_C = F_O/2 = F_T/2ⁿ⁺¹.

Так, при довольно высокой тактовой частоте F_T = 10 МГц и среднем числе разрядов счётчика n = 12 ширина спектра обрабатываемого сигнала составит F_C = 10⁷/2¹³  1,25 кГц, что недостаточно даже для речевого сигнала.

Регистр последовательного приближения (РПП) представляет собой набор D-триггеров, входы С которых соединены параллельно. До пуска преобразователя все триггеры РПП находятся в состоянии логического нуля.

С пуском АЦП по фронту первого тактового импульса к информационному входу РПП подключается D-вход триггера старшего разряда с одновременной установкой его в состояние логической единицы.

В результате на выходе ЦАП появляется напряжение U_n = 0,5U_MAX. Это напряжение сравнивается с напряжением на конденсаторе. По срезу того же тактового импульса результат сравнения с выхода компаратора записывается в триггер старшего разряда.

По фронту второго тактового импульса к информационному входу РПП подключается D-вход следующего, более младшего триггера с одновременной установкой его в состояние логической единицы.

Если U_n  U_ВХ, то в результате к нему добавляется напряжение U_n-1 = 0,5U_n. В противном случае на выходе ЦАП присутствует только напряжение U_n-1.

По срезу второго тактового импульса в этот триггер записывается новый результат сравнения.

Далее процесс преобразования протекает аналогично, причём подключение k-го триггера РПП соответствует напряжению U_k = 0,5U_k+1 на выходе ЦАП (k = n, n-1, …, 1).

По сигналу U_КП – конец преобразования, содержимое РПП переписывается в буфферный регистр RG, а сам РПП возвращается в исходное (нулевое) состояние. При этом входное напряжение оказывается уравновешенным суммой напряжений, снимаемых с ЦАП: U_ВХ = , где a_i – коэффициенты 1 и 0 в разрядах кода РПП; U_ЦАП,i – напряжение на выходе ЦАП, соответствующее i-му разряду РПП.

В таких АЦП время преобразования определяется в основном числом разрядов РПП и тактовой частотой: Т_Ц = n/F_T.

По сравнению с АЦП предыдущего типа быстродействие рассмотренного АЦП значительно выше.

Например, при F_T = 10 МГц и n = 12 частота следования отсчётов аналогового сигнала может достигать 10⁷/12  830 кГц. Следовательно, допустимая ширина спектра исходного сигнала составляет примерно 415 кГц.

Однако и этого быстродействия не достаточно для преобразования широкополосных сигналов, например, стандартного телевизионного видеосигнала.

АЦП параллельного действия основан на одновременном сравнении входного сигнала с 2ⁿ-1 эталонами, соответствующими n-разрядному двоичному коду, и кодировании результатов этого сравнения.

разование осуществляется за один период тактовых импульсов.

Недостаток этих преобразователей состоит в большом числе компараторов, которое быстро возрастает с ростом числа разрядов.