5. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Одним из направлений применения микропроцессорной (МП) вычислительной техники являются системы управления технологическими процессами, электронными устройствами, современными автомобилями, бытовыми приборами и т. п. Главная особенность этого направления – представление значительной части входной управляющей информации в аналоговой форме, например, в форме изменяющегося электрического напряжения. Для цифровой обработки такую информацию необходимо преобразовать в последовательность цифровых кодов, пригодных для обработки цифровым устройством, например, микроконтроллером. Устройства, предназначенные для автоматического преобразования непрерывно изменяющихся аналоговых сигналов в цифровой код, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

При построении устройств, связывающих цифровые устройства с объектами, использующими информацию в непрерывной (аналоговой) форме, например, для управления скоростью вращения двигателя или перемещением клапана, требуется преобразование цифровой информации в аналоговую (непрерывную). Устройства, осуществляющие автоматическое преобразование числового кода в эквивалентное значение аналоговой величины (напряжения, тока), называются цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Такое преобразование цифрового сигнала в аналоговый необходимо также, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой сигнал для передачи на большие расстояния или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук).

5.1. Аналого-цифровые преобразователи (ацп)

5.1.1. Основные принципы, характеристики и параметры ацп

Задача аналого-цифрового преобразования состоит в преобразовании входного напряжения в пропорциональное ему число. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения u(t) в последовательность цифровых кодов чисел u(t_n), где n = 0, 1, 2… относятся к фиксированным моментам времени.

При преобразовании напряжения в цифровой код используются три независимые операции: дискретизация, квантование и кодирование.

При дискретизации непрерывная функция u(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов u(t_n), которые относятся к фиксированным моментам времени, где n = 0, 1, 2, 3… и т. д. (рис. 5.1, а).

Вторая операция называемая квантованием, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция u(t) принимает вид ступенчатой кривой U_k(t), показанной на (рис. 5.1, б) полужирной линией. Разность между двумя соседними значениями квантованной величины называется шагом квантования. По существу квантование представляет собой операцию округления непрерывной величины до ближайшего целого значения.

Рис. 5.1 Преобразование непрерывного сигнала в дискретный:

а – дискретизация; б – квантование

Третья операция, называемая кодированием, представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода, т. е. последовательности цифр, подчиненных определенному закону. Цифровой код является выходной величиной аналого-цифрового преобразователя.

АЦП является сложным электронным устройством, состоящим из нескольких сотен или тысяч элементов, объединенных в одной или нескольких микросхемах. В связи с этим характеристики АЦП зависят не только от его построения, но и от характеристик элементов, которые входят в его состав. Поэтому АЦП оценивают по их метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим характеристикам АЦП относят: абсолютные значения и полярности входных сигналов, входное сопротивление, разрешающую способность, количество разрядов, погрешности преобразования постоянного напряжения и др.

К динамическим параметрам АЦП относят: время преобразования, максимальную частоту дискретизации, апертурное время, динамическую погрешность и др.

Основной характеристикой АЦП является его разрешающая способность, которую принято определять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, в числе разрядов или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или 72,2 дБ.

Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения ∆U_ВХ. при изменении выходного цифрового кода на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования:

(5.1)

где U_вх.т – максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода;

N – разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность смещения нуля – значение U_вх., когда выходной код АЦП равен нулю. Эта составляющая является аддитивной составляющей полной погрешности.

Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

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

Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением k–го кванта преобразования и средним значением кванта преобразования. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.

Максимальная частота дискретизации (преобразования) – это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой погрешность линейности АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду.

Время преобразования (t_ПР) – это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

Поскольку МПС и ЭВМ являются быстродействующими устройствами обработки данных, то для совместной работы с ЭВМ АЦП также должны иметь высокое быстродействие. На быстродействие АЦП решающее значение оказывает их схемотехническая реализация.