ЦОС_Заочники2013 / Курсовая МПиЦОС 2011 / Справочная информация / ADC&DAC / AN615R

ВВЕДЕНИЕ

Низкочастотные АЦП с высоким разрешением обычно имеют разрядность от 16 до 24 бит. Однако число значащих разрядов ограничено шумами и оно зависит от скорости обновления данных на выходе АЦП и от установленного коэффициента усиления. Число разрядов указывается некоторыми фирмами

в спецификации на ИС как "эффективное разрешение". Фирма Analog Devices в своих спецификациях приводит разрешение "от пика до пика", которое соответствует числу разрядов без "дрожания", и оно вычисляется несколько иным образом, чем эффективное разрешение. В данном руководстве по применению описываются различия между разрешением "от пика до пика" и эффективным разрешением.

Шумы

На рис. 1 показана типичная гистограмма распределения значений цифрового кода, полученных на выходе АЦП при заземленном аналоговом входе. В идеальном случае при постоянном нулевом сигнале на входе выходной код должен быть равен нулю. Однако из-за наличия шума на выходе будут присутствовать различные значения кода даже при постоянном сигнале на входе. Этот шум представляет собой температурный шум в АЦП, а также шум квантования, возникающий в процессе аналого-цифрового преобразования.

Величины цифрового кода подчиняются гауссовскому закону распределения. Среднеквадратичное значение (далее rms) шума можно вычислить по кривой, огибающей гистограмму; rms шума определяется шириной этой кривой. Кривая Гаусса определена

вдиапазоне от минус бесконечности до плюс бесконечности, но 99.99% значений кодов находятся

впределах 6.6×(rms шума). Таким образом, пиковые значения шумового сигнала достигают 6.6×(rms шума).

Обычно в техническом описании (datasheet) указано значение rms шума. Данный параметр зависит

от частоты работы фильтра и от установленного коэффициента усиления. Обычно rms шума снижается при увеличении допустимого диапазона входного сигнала. Однако если при этом размах сигнала небольшой, то значение эффективной разрядности падает.

Разрешающая способность "от пика до пика" и эффективная разрешающая способность

Вбольшинстве случаев "дрожание" цифровых разрядов на выходе системы является нежелательным. Например, в электронных весах число разрядов без "дрожания" является важной характеристикой.

Ввыходном коде АЦП можно отбросить "дрожащие" разряды, чтобы они не отображались на дисплее электронных весов.

Разрешение "в отсутствие шума" или "от пика до пика" можно рассчитать исходя из уровня шума, приведенного в техническом описании. Для начала вычислим отношение сигнал/шум (далее SNR). Это соотношение равно

SNR = 20·log(шум / сигнал полной шкалы)

Фирма Analog Devices обычно указывает в описании разрешение "от пика до пика" или число разрядов, свободных от шума. Этот параметр можно получить, вычисляя SNR с использованием пикового значения шумового сигнала, т.е. 6.6×(rms шума). Вычислив значение SNR, можно затем определить и точность.

В техническом описании ИС AD7719 приведена величина rms шума, составляющая 1,25 мкВ при величине сигнала полной шкалы ±2,56 В и частоте обновления данных на выходе 5,35 Гц. Из этих данных можно получить значение отношения сигнал/шум:

(20log((6.6 × 1,25E–6)/(2,56 × 2)) = –115,85 dB

Отсюда, разрешение "от пика до пика" составляет:

115.85 = 6.02N + 1.76 => N = (115.85–1.76)/6.02 = 19 бит

Таким образом, при указанных условиях, мы получим 19 бит цифрового кода без "дрожания".

Некоторые фирмы приводят в документации эффективное разрешение, а не разрешение "от пика до пика". Эффективное разрешение удобнее вычислять из значения rms шума, а не из пикового значения шумового сигнала:

(20log((0.25E-6)/(2.56×2)) = –132.25 dB

Отсюда эффективное разрешение:

132.25 = 6.02N + 1.76 =>

N = (132.25 – 1.76)/6.02 = 21.7 бит

Таким образом, эффективное разрешение на 2,7 бит превышает значение разрешения "от пика до пика".

При оценке параметров АЦП важно понимать, что эффективное разрешение и разрешение "от пика до пика" вычисляются различным образом; значение эффективной разрешающей способности на 2,7 бит больше, чем соответствующее разрешение "от пика до пика". Кроме того, эффективная разрешающая

способность в битах – это не число бит без "дрожания". Разрешающая способность "от пика до пика" дает более наглядное представление о производительности, т.к. она соответствует числу бит без "дрожания".

Заключение

Методы, по которым вычисляется эффективная разрядность низкочастотных АЦП с высоким разрешением, различны у разных фирмпроизводителей. Поэтому при сравнении различных микросхем разных фирм при выборе оптимальной для какого-либо устройства, нельзя просто сопоставлять число разрядов, т.к. АЦП, у которого приведено разрешение "от пика до пика" будет выглядеть хуже, чем АЦП, в описании которого приведено эффективное разрешение. Эффективное разрешение АЦП превышает разрешение "от пика до пика" на 2,7 бит. Таким образом, прибор с эффективным разрешением 22 разряда обладает

разрядностью "без дрожания", равной 19,3 бит. Важно знать, какой параметр – разрешение "от пика до пика" или эффективное разрешение – приведен в спецификации, чтобы оценить, какой же

разрешающей способностью обладает АЦП на самом деле.