Аналогово-цифровые преобразователи (ацп)

АЦП – устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости и т.д.) в цифровой код.

Наиболее часто входной величиной является напряжение. Все другие параметры следует предварительно преобразовать в напряжение.

Виды ацп и их особенности

В общем случае напряжение характеризуется мгновенными его значениями , однако можно пользоваться его средними значениями за выбранный промежуток времени . В связи с этим, АЦП можно разделить на две группы:

1. АЦП мгновенных значений напряжения;

2. АЦП средних значений напряжения.

1. Интегрирующие АЦП. При преобразовании напряжения в цифровой код исполняются три независимых операций:

• дискретизация;

• квантование;

• кодирование.

При дискретизации непрерывная функция преобразуется в последовательность ее отсчетов .

Квантование состоит в том, что мгновенные значения функции ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования.

Кодирование представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода в последовательности цифр, подчиненных определенному закону.

Дискретизация бывает:

1. равномерная;

2. неравномерная.

При равномерной дискретизации период отсчета , а при неравномерной – может изменяться. Чаще всего это обусловлено скоростью изменения сигнала. Такая дискретизация называется адаптивной.

При дискретизации сигнала появляется погрешность, обусловленная неопределенностью момента времени окончания преобразования. Такая погрешность называется апертурной.

В отличие от дискретизации, которая теоретически является обратимой операцией. Квантование представляет собой необратимое преобразование исходной последовательности и сопровождается появлением неизбежной погрешности. Максимальная погрешность квантования равна  5 .

В большинстве случаев для оценки качества АЦП не максимальную, а среднеквадратичную погрешность

,

что  в 3,5 раза ниже максимальной.

В инструкции АЦП используются следующие виды кодов:

1. натуральный двоичный;

2. десятичный.

Основные характеристики ацп

Основной характеристикой АЦП является его разрешающая способность, которую принято определять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе из АЦП.

Десятиразрядный АЦП обеспечивает погрешность

.

Статические характеристики

К статическим характеристикам относят:

• абсолютные значения и полярность входных сигналов;

• входное сопротивление;

• абсолютные значения и полярность выходных сигналов;

• количество двоичных (десятичных) разрядов выходного сигнала;

• погрешности преобразования выходного сигнала.

Динамические характеристики

К динамическим характеристикам относят:

• время преобразования;

• максимальную частоту дискретизации;

• апертурное время;

Время преобразования обычно определяют как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого кода входного сигнала.

Максимальная частота дискретизации – частота, с которой возможно преобразование входного сигнала при условии, что выбранный параметр (абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы.

АЦП последовательного счета

Характеризуется как наиболее медленный и дешевый.

Принятые сокращения:

• ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

• ГТИ – генератор тактовых импульсов;

• ИОН – источник опорного напряжения.

При числе двоичных разрядов счетчика, равном и периоде следования счетных импульсов максимальное время преобразования можно записать так

.

Уравнение преобразования АЦП последовательного счета:

где: - значение напряжения для одной ступени, - число ступеней до момента уравнивания величины входного сигнала с выходным сигналом ЦАП.

АЦП последовательных приближений

Повышается быстродействие. В основе работы лежит принцип дихотомии (последовательного сравнения преобразуемого напряжения с ½, ¼, 1/8 и т.д. возможного максимального значения .

.

Имеет значительно большее быстродействие по отношению к АЦП последовательных приближений при сопоставимой с ним сложности конструкции.

Параллельный АЦП

Самое высокое быстродействие. Преобразователь осуществляет одновременное квантование входного сигнала при помощи набора компараторов, включенных параллельно источнику сигнала.

Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резисторного делителя в соответствии со шкалой квантования. Частота дискретизации свыше 100 МГц.

Неоспоримое достоинство параллельных АЦП в виде самого высокого быстродействия уравновешивается существенным недостатком – сложностью и соответственно высокой стоимостью конструкции. Так, для построения 10 разрядного АЦП необходимо разместить на одном кристалле 1023 компаратора с цепями обвязки. Обычно встречаются на практике параллельные АЦП с разрядностью до 8.