4.2.1 Основные параметры и характеристики.

К основным статическим параметрам аналого-цифровых преобразователей относятся: шаг квантования, максимальное значение входного сигнала, разрядность и погрешности преобразования. Так как большинство АЦП формируют числовые значения пропорциональные уровню входного сигнала в двоичном коде, то разрядность определяется соотношением , где.

Вариант характеристики преобразования АЦП, у которого шаг квантования не зависит от величины входного сигнала, приведен на рис. 4.56. У идеального преобразователя она представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат и точку ().

Однако, как и для цифроаналоговых преобразователей, характеристика преобразования реального АЦП будет отличаться от прямой линии и эти отличия оцениваются параметрами, которые называются абсолютная и дифференциальная нелинейность.

Первая определяет максимальное отклонение формируемого кода от истинного значения при совмещении крайних точек характеристики преобразования. Она измеряется либо в процентах от максимального значения кода, либо в ЕМР, что соответствует максимальной разности выходных кодов идеального и реального АЦП. Дифференциальная нелинейностьопределяет максимальное отклонение шага квантования от его истинного значения. Если, то может появится немонотонность характеристики преобразования, что приводит к пропускам кода. На участках немонотонности с ростом входного сигнала численное значение формируемого кода падает (рис. 4.57).

Динамические параметры, к которым относятся время преобразования и период квантованияхарактеризуют АЦП с точки зрения быстродействия. Время преобразования представляет собой с интервал с момента начала преобразования до момента формирования и фиксации выходного кода. Под периодом квантования понимается временной промежуток между двумя соседними актами преобразования. Он всегда больше, так как в АЦП требуется некоторое время для установления элементов в исходное состояние. Величина обратная периоду квантования называется максимальной частотой преобразования. Она определяет количество отсчетов входного сигнала, которое может быть получено за одну секунду.

Если уровень входного сигнала за время преобразования меняется, то возникает дополнительная ошибка преобразования, которая называется апертурной. Ее появление можно пояснить следующим образом (рис. 4.58). Если процесс преобразования начался в момент времени и напряжение входного сигнала остается неизменным, то, по окончании этого процесса к моменту времени, сформируется код. Однако, когда напряжение меняется и к моменту окончания преобразования становится равным, то вследствие конечного быстродействия АЦП, на его выходе появится код, не совпадающий ни с, ни с. Для идеального АЦП можно считать, что в момент временипроисходит мгновенное преобразование напряжения.

Величина апертурной ошибки оценивается как . В первом приближении можно считать, что, то есть апертурная ошибка пропорциональна скорости изменения входного напряжения и времени преобразования.

Для ее снижения требуется либо уменьшить время преобразования, либо снизить скорость изменения входного сигнала. Первый подход требует построения быстродействующих АЦП, что является достаточно сложной технической задачей. Скорость изменения преобразуемого напряжения можно снизить практически до нуля, запомнив уровень входного сигнала на момент начала преобразования и сохранив это значение в течение цикла работы АЦП. Данную функцию выполняют устройства выборки-хранения (УВХ), вариант которого приведен на рис. 4.59, а временные диаграммы его работы на рис. 4.60.

Операционный усилитель включен по схеме неинвертирующего повторителя напряжения, который имеет очень высокое входное сопротивление.

Перед началом этапа преобразования на короткое время замыкается ключ Кл и конденсатор хранения заряжается до уровня входного сигнала. Далее ключ размыкается и начинается цикл преобразования выходного напряжения операционного усилителя в код, во время которого оно остается практически неизменным, что существенно уменьшает апертурную ошибку.

С точки зрения преобразования формы представления сигнала, УВХ осуществляет его дискретизацию (рис. 4.60). В тоже время напряжение на выходе устройства выборки-хранения не является квантованным, так как уровни ступенек различны.

По принципу действия аналого-цифровые преобразователи можно разделить на несколько классов и групп (рис. 4.61). В АЦП с непосредственным или прямым преобразованием, величина входного напряжения трансформируется в значение кода путем сравнения напряжения с эталоном.

Такие преобразователи делятся на несколько групп, в частности параллельные, параллельно-последовательные и последовательные. Принципиальная особенность последовательных АЦП в том, что у них имеется цепь обратной связи, в которой применяется вспомогательный цифро-аналоговый преобразователь. Последовательные АЦП отличаются друг от друга по способу подбора кодовой комбинации соответствующей уровню входного сигнала.

В АЦП с промежуточным преобразованием на первом этапе уровню входного сигнала ставится в соответствие значение частоты, длительности импульса, заряда и т.п. На последующих этапах осуществляется измерение полученной величины и формирование кода.