КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

403

ческого процесса, или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционно аналоговой работы.

Аналого-цифровое преобразование (А/Ц преобразование) следует использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумо- защищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежу- точную цифровую форму (например, в цифровой звукотехнике или в сис- темах связи - импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых раз- нообразных измерительных средствах, а также в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и уст- ройства шифрования данных.

В принципе, вполне реально осуществить преобразование различных физических величин непосредственно в цифровую форму. Однако, процесс этот весьма сложен и кое-где непригоден. Поэтому наиболее рациональным является сначала преобразование физической величины (силы, звука, скоро- сти, давления и т.д. ) в функционально связанные с ними аналоговые электри- ческие сигналы, а затем с помощью преобразователя напряжение-код в циф- ровые. Именно последние и понимаются, как АЦП.

Аналоговый электрический сигнал на входе преобразователя срав- нивается с известным эталонным напряжением и производится цифровое представление этого сигнала. На выходе АЦП имеет обычно двоичный код, пропорциональный входному аналоговому значению. То есть суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении некой не- прерывной функции (например, напряжения) от времени в последователь- ность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени.

Поэтому для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции:

405

Для квантования в двоичном коде диапазон напряжения сигнала от

Umin до Umax делится на 2n интервалов. Величина получившегося интерва- ла (шага квантования) равна

Номинальное значение кванта преобразования δ - называют едини- цей младшего разряда (ЕМР) или Младшим значащим разрядом (МЗР).

Каждому интервалу присваивается n-разрядный двоичный код - номер интервала, записанный двоичным числом. Каждому отсчёту сигнала присваи- вается код того интервала, в который попадает значение напряжения этого от- счёта. Таким образом, аналоговый сигнал представляется последовательно- стью двоичных чисел, соответствующих величине сигнала в определённые моменты времени, то есть цифровым сигналом. При этом каждое двоичное число представляется последовательностью импульсов высокого (1) и низкого

(0) уровня.

Рассмотрим некоторые метрологические понятия ЦАП и АЦП.

Одна из основных характеристик АЦП (и ЦАП) – это характеристика преобразования, зависимость между напряжением на его аналоговом вы- воде и цифровом коде на его выходе, заданная в виде таблицы, графика или формулы, рисунок 12

Рисунок 12 - Номинальная характеристика преобразования двоичного

АЦП в униполярном режиме

Другая важная характеристика АЦП - разрешающая способность. Это величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций. Раз- решающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности преобразователя с точки зре- ния достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет разре- шающую способность 1/4096, или 0,245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.

406

Важный параметр АЦП называется диапазоном входного напряже- ния. Это область значений входного сигнала между начальной и конечной точкам характеристики преобразования.

Характеристики реальных АЦП и ЦАП отличаются от идеальных характеристик из-за различных погрешностей. Основные виды погрешно- стей АЦП и ЦАП следующие:

- погрешность смещения – это параллельный сдвиг характеристики преобразования относительно идеальной, рисунок 13, а;

Идеальный АЦП

000...01

000...00

Рисунок 13 – Погрешности АЦП: а – погрешность смещения;

б- погрешность усиления; в – интегральная нелинейность;

г- дифференциальная погрешность

-погрешность усиления – это отличие характеристики преобразова- ния от идеальной характеристики наклоном во всем диапазоне работы, ри- сунок 13, б;

-интегральная нелинейность – это отличие характеристики преоб- разования от линейного закона во всем диапазоне работы, рисунок 13, в;

-дифференциальная погрешность – это отличие характеристики пре-

образования от идеальной линейной характеристики в части диапазона ра- боты, рисунок 13, г.

407

Погрешности смещения или усиления могут быть легко скомпенси- рованы настройками схемы АЦП. Сложнее поддаются регулировке по- грешности нелинейности, особенно дифференциальные нелинейности.

Погрешность квантования. Возникает из-за преобразования входного напряжения в конечное число кодов. Погрешность квантования - интервал входного напряжения протяженностью 1 МЗР (шаг квантования по напряже- нию), который характеризуется одним и тем же кодом. Всегда равна ±0.5 МЗР.

Абсолютная погрешность. Максимальное отклонение реальной (без подстройки) характеристики преобразования от реальной при любом коде. Является результатом действия нескольких эффектов: смещения, погрешно- сти усиления, дифференциальной погрешности, нелинейности и погрешности квантования. Идеальное значение: ±0.5 МЗР.

Погрешность смещения – отклонение первого перехода по сравнению с идеальным переходом (т.е. при 0.5 младшего разряда).

Погрешность усиления. После корректировки смещения погрешность усиления представляет собой отклонение последнего перехода от идеального перехода.

Интегральная нелинейность (ИНЛ). После корректировки смещения и погрешности усиления ИНЛ представляет собой максимальное отклонение реальной функции преобразования от идеальной для любого кода.

Дифференциальная нелинейность. Максимальное отклонение между шириной фактического кода (интервал между двумя смежными переходами) от ширины идеального кода.

По быстродействию АЦП в настоящее время можно разделить на сле- дующие группы в зависимости от максимальной частоты преобразования

fs.макс:

-АЦП постоянного тока с fs.макс < 10 кГц;

-АЦП среднего быстродействия с fs.макс = 10…5000 кГц;

-скоростные АЦП с fs.макс = 5…200 МГц;

-сверхскоростные АЦП с fs.макс >> 200 МГц.

Точность современных моделей АЦП определяется преимущественно разрядностью. Можно определить следующие градации:

-АЦП низкой точности 8 разрядов и менее;

-АЦП средней точности 10 -13 разрядов;

-АЦП высокой точности 14 разрядов и более.

Подробно рассмотреть все виды АЦП в одной лекции не представляет- ся возможным, поэтому рассмотрим основные наиболее часто применяемые устройства.

Все многообразие АЦП можно разделить на группы, объединенные общей технологией, схемотехникой и методом преобразования. Классифика-

408

ция по методам преобразования АЦП, выпускаемых в виде интегральных микросхем (ИМС), представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Классификация АЦП по методам преобразования

Параллельные АЦП

Параллельные АЦП прямого преобразования – содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала, рисунок 15.

Здесь используется массив компараторов, каждый из которых сравни- вает входное напряжение с индивидуальным опорным напряжением. Такое опорное напряжение для каждого компаратора формируется на встроенном прецизионном резистивном делителе. Значения опорных напряжений начи- наются со значения, равного половине младшего значащего разряда (МЗР), и увеличиваются при переходе к каждому следующему компаратору с шагом,

равным Uоп / 2n . Например, для 3-х разрядного АЦП требуется 23 − 1 или семь компараторов. А, например, для 8-разрядного параллельного АЦП по-

требуется уже 255 (28 − 1)) компараторов.

С увеличением входного напряжения компараторы последовательно устанавливают свои выходы в логическую единицу вместо логического нуля, начиная с компаратора, отвечающего за младший значащий разряд. Можно представить преобразователь как ртутный термометр: с ростом температуры

где n - число битов выходного кода;

k - число параллельных АЦП прямого преобразования), требующееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой (при 8-ми битах и 2-х АЦП требуется 30 компараторов).

Содержат в своем составе k параллельных АЦП прямого преобразова- ния. Второй, третий и т.д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. В качестве примера на рисунке 16 показано устройство двухступенчатого АЦП.

412

Первым в единичное состояние устанавливается триггер старшего раз- ряда, так что сначала аналоговое входное напряжение сравнивается с выход- ным напряжением ЦАП, которое соответствует напряжению старшего знака разряда (СЗР) UСЗР =Uоп2 . Если аналоговое входное напряжение больше

UСЗР , то триггер старшего разряда остается в единичном состоянии Х1 =1 в

течение всего последующего цикла преобразования. Если же аналоговое входное напряжение меньше UСЗР , то триггер старшего разряда сбрасывается

в нуль Х1 = 0 и остается в этом состоянии до конца цикла преобразования. Затем в единичное состояние устанавливается следующий триггер (вто-

Если это напряжение меньше входного аналогового напряжения Uвх, то второй разряд остается равным единице Х2 =1.

Если же оно больше аналогового входного напряжения, то второй раз- ряд сбрасывается в нуль Х2 = 0 .

Этот процесс повторяется для всех оставшихся триггеров (всего N раз) до полного завершения цикла преобразования. В каждом случае, если анало- говое входное напряжение больше напряжения ЦАП, то очередной триггер сохраняет свое текущее состояние. Если аналоговое входное напряжение меньше напряжения ЦАП, то триггер, который последним был установлен в единичное состояние, сбрасывается в нуль.

Таким образом, осуществляется последовательное приближение на- пряжения АЦП и, следовательно, соответствующих цифровых кодов к анало- говому входному напряжению, начиная со старшего в начале цикла преобра- зования и кончая младшим в конце цикла преобразования.

На всю операцию преобразования требуется в два раза больше тактов преобразования, чем количество разрядов. Поэтому АЦП последовательных приближений намного быстрее АЦП последовательного счета. АЦП этого ти- па обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением.

АЦП дифференциального кодирования

АЦП дифференциального кодирования содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрица- тельной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше от- личался от входного сигнала. После истечения некоторого времени разница сигналов становится меньше, допустимой ошибки, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП.