5.2.3 Аналого-цифровые преобразователи, их параметры и основные типы

К основным параметрам АЦП относятся:

• динамический диапазон;

• частота преобразования (дискретизации F_Д), период дискретизации Т_Д = 1/F_Д;

• время преобразования;

• разрешающая способность;

• погрешность преобразования.

Динамический диапазон АЦП определяется отношением максимального сигнала к СКО шумов квантования

Из-за несовершенства отдельных элементов преобразователя, ухода параметров в зависимости от времени ,температуры, нестабильности источников питания и т.д. характеристики квантования реальных АЦП отличаются от идеальных, что является причиной появления дополнительных шумов. Так, если σ_доп = σ_кв, то отношение сигнал/шум U_с/U_ш на выходе реального АЦП уменьшается на 3 дБ.

При σ_доп = σ_кв√2 потери составляют 6 дБ, что означает потерю младшего разряда. Поэтому, если дополнительные шумы имеют тот же порядок, что и шумы квантования, то увеличивать разрядность АЦП бессмысленно. Это обуславливает трудности создания многоразрядных АЦП, поскольку с уменьшением шумов квантования доля дополнительных шумов возрастает.

Частота преобразования (дискретизации) F_Д – это частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала. Она определяет требование к быстродействию АЦП и должна выбираться в соответствии с соображениями, рассмотренными в подразделе 5.2.1.

Время преобразования t_пр – это время от начала импульса дискретизации (начала преобразования) до появления на выходе АЦП устойчивого кода, соответствующего выборке входного сигнала. При работе без устройств выборки и запоминания оно определяет достижимую частоту дискретизации F_Д.

Разрешаюшая способность – это способность АЦП различать два значения входного сигнала. Определяется количеством различных кодовых комбинаций на выходе АЦП и выражается либо в битах (число разрядов), либо как динамический диапазон в децибеллах.

Погрешность преобразования обусловлена эффектом квантования и отличием реальной характеристики квантования от идеальной. В качестве меры ее оценки может служить мощность шумов квантования реальных АЦП.

Таким образом, параметры АЦП взаимосвязаны друг с другом и являются результатом компромисса между различными противоречивыми требованиями: точностью и быстродействием, точностью и сложностью, быстродействием и стоимостью. Этим и объясняется и большое многообразие практических схем АЦП.

Типы АЦП. По способу преобразования выборочных значений сигнала в цифровой эквивалент все многообразие АЦП может быть сведены в три класса: последовательные; параллельные и последовательно-параллельные.

Принцип действия последовательных АЦП основан на процедуре последовательного приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине, которая может быть реализована с помощью единичных или двоично – взвешенных приближений (рис.5.6 и 5.7 соответственно).

Рис.5.6. Последовательный АЦП с единичными приближениями

Рис.5.7. Последовательный АЦП с поразрядным кодированием

Время преобразования в такой АЦП является переменным и зависит от величины входного сигнала. Его максимальное значение

t_{пр.макс} = (2^m – 1)T_сч,

где T_сч – период следования счетных импульсов.

При большом числе разрядов быстродействие таких АЦП мало при m = 10 и T_сч = 1 мкс (1 МГц), t_пр.= 1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту дискретизации F_Дмакс ≈ 1 кГц.

При использовании АЦП с двоично-взвешенным приближением (поразрядным кодированием) быстродействие может быть существенно повышено.

В основу его работы положен принцип последовательного сравнения измеренной величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного ее максимального значения (принцип дихотомии).

Выигрыш в быстродействии по сравнению с АЦП с единичным приближением равен примерно 2^m/m и достигает при m ≥ 10 двух и более порядков. Частота дискретизации в АЦП с поразрядным кодированием составляет единицы мегагерц.

Принцип действия параллельных АЦП основан на одновременном квантовании сигнала с помощью набора компараторов. Число компараторов равно 2^m – 1, где m – число разрядов, а пороговые уровни устанавливаются с помощью резистивного делителя, подключенного к источнику опорного напряжения, в соответствии с используемой шкалой квантования.

Структурная схема трехразрядного параллельного АЦП представлена на рис.5.8. При подаче входного сигнала срабатывают все те компараторы, у которых порог меньше, чем входной сигнал. Получающийся при этом унитарный код с помощью кодирующей логики преобразуется в двоичный.

Рис.5.8. Трехразрядный параллельный АЦП

Главным достоинством параллельных АЦП является их высокое быстродействие. Частота преобразования достигает 100-200 МГц. Однако их объем приблизительно удваивается с каждым новым разрядом. Поэтому разрядность таких АЦП не превышает 10-12.

Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение среди рассмотренных выше типов АЦП. Они имеют существенно меньший объем в сравнении с параллельными АЦП и лучше быстродействие в сравнении с последовательными.