Основные характеристики ацп

Такие параметры как разрешение, интегральная нелинейность, дифференциальная нелинейность, смещение нуля, погрешность шкалы определяются для АЦП так же, как и для ЦАП (см. также /25, 26/).

Динамические характеристики АЦП определяют время одного такта (разрешение по времени) и длительность всего цикла преобразования (время преобразования). Со временем преобразования связана частота преобразования, которая определяет максимальную скорость изменения входных сигналов. Частота преобразования обычно определяется как величина, обратная времени преобразования. Для быстродействующих АЦП используется понятие апертурного времени, которое показывает длительность неопределенного выходного состояния АЦП от начала такта (фактически это время характеризует длительность переходных процессов в устройствах АЦП).

Типовые значения характеристик ацп

Для последовательных схем: разрядность – 10…14;

дифференциальная нелинейность – 0,5-1,5 МР;

интегральная нелинейность – 0,5-3 МР;

время преобразования – 1-100 мс.

Для параллельных схем: разрядность – 8…10;

дифференциальная нелинейность – до 2 МР;

интегральная нелинейность – до 2 МР;

время преобразования – 10-100 мкс;

апертурное время – до 10 нс.

Для схем с двойным интегрированием: разрядность – до 18;

дифференциальная нелинейность – до 1 МР;

интегральная нелинейность – до 1 МР;

время преобразования – от 100 мс до 1 с.

Для схем дельта-сигма: разрядность – до 24;

эффективное разрешение не хуже 20 бит;

дифференциальная нелинейность – до 1 МР;

интегральная нелинейность – до 1 МР;

время преобразования – от 40 мкс.

Лекция 14. Схемотехника различных ацп

14.1. Параллельные ацп

Г лавным достоинством этих АЦП является быстродействие, поскольку преобразование в них выполняется за один такт. Это возможно именно потому, что входная величина сравнивается одновременно со всеми возможными значениями эталонного напряжения. Следовательно, при необходимости N–разрядного преобразования в состав АЦП должно входить при двоичном кодировании 2^N-1 устройств сравнения и столько же формирователей опорных напряжений.

Опорное напряжение формирует на резистивном делителе (рис. 82) систему напряжений, возрастающих с шагом U_оп/N для компараторов К с первого по 2^N-1. При преобразовании на все К одновременно подается U_x и они устанавливаются в нуль, если U_x<Uⁱ_оп, и в единицу в обратном случае. Последний установившийся в единицу компаратор дает фактическое значение результата преобразования. После­дующая задача при считывании результата – преобразовать этот код в двоичный позиционный код, что может быть выполнено программно или аппаратно (приоритетным шифратором).

В виде ИМС такие АЦП выпускаются на 8-10 (иногда 12) разрядов. Недостаток – большое количество компараторов, большой объем шифратора, и как следствие – высокая стоимость. Применяются они в специальных контрольно-измеритель­ных системах.

14.2. Последовательные ацп

Принцип действия таких АЦП – последовательное во времени сравнение преобразуемой величины с эталонным напряжением, формируемым в ЦАП. Код, подаваемый на ЦАП, формируется по определенному алгоритму, но всегда представляет собой последователь­ность значений, уста­навливаемых через определенные промежутки времени.

В качестве элементов сравнения в АЦП могут использоваться либо ОУ, либо компараторы. При использовании в качестве элемента сравнения компараторов (функциональное обозначение на УГО – =U) сравниваемыми величинами являются напряжения. Для масштабирования входной величины используются операционные усилители с перемен­ным (программируемым) коэффициентом передачи (на рис. 83 – изменением сопротивления обратной связи). На компаратор подаются напряжения одной полярности и его состояние определяется соотношением их величин. Выходной сигнал компаратора о бычно имеет уровни лог.0 и лог.1 в стандарте TTL или 0↔Z (для выходных каскадов с открытым коллектором), что позволяет сопрягать компараторы с любым типом логики. Выбор компараторов осуществляется по величине напряжения смещения и времени задержки.

Для АЦП широкого применения эти величины имеют значения соответственно в единицы милливольт и сотни наносекунд.

При использовании ОУ происходит сравнение токов, один из которых формируется преобразуемым напряжением, второй – эталонным (рис. 84). На сопротивление R1 подается измеряемое U_x, на R2 – эталонное от ЦАП. В зависимости от соотношения поданных напряжений и значений сопротивлений на выходе ОУ устанавливается или значение напряжения стабилизации VD2, или состояние –0,5 В (падение напряжения на VD1). Ограничение выходного напряжения необходимо для согласования уст­ройства сравнения с последующими логическими схемами.

П ри постоянном максимальном значении U_ЦАП изменением соотношений величин R1 и R2 можно выполнять нормирование величины U_X. При равенстве R1 и R2 максимальное значение диапазона для U_X равно U_ЦАП. Изменяя величину R2 в большую или меньшую сторону, мы изменяем максимальное значение U_X в большую или меньшую сторону соответственно.

Требования к используемым ОУ:

• малый входной ток (менее 1 нА);

• в ысокий коэффициент усиления (более 2000);

• высокая граничная частота (частота единичного усиления 30-100 МГц).

Напряжения U_X и U_ЦАП должны иметь противоположные полярности.