1.4. Аналоговая земля (angnd) и опорное напряжение (Vref)

Уровни опорного напряжения сильно влияют на абсолютную точность преобразования. По этой причине, мы рекомендуем, чтобы Вы присоединили контакт ANGND к контакту Vss, используя, по возможности, провод наименьшей длины.

В “шумной” среде, мы настоятельно рекомендуем использование отдельной цепи аналоговой земли, которая соединяется с Vss в одной точке, как можно ближе к источнику. Между Vref и ANGND должны использоваться блокировочные конденсаторы. Уровень ANGND должен быть не больше 0.1 В относительно Vss. Источник опорного напряжения (Vref) должен быть стабильным и использоваться только для АЦП. Напряжение Vref должно быть в пределах от 4.0 до 5.5 В и источник должен поддерживать ток до 5 мА.

Большие отрицательные выбросы тока на контакте ANGND, относительно Vss, могут вывести аналоговую схему из строя - это - дополнительная причина для тщательного заземления ANGND.

Опорное аналоговое напряжение (Vref) - положительное напряжение, с которым сравниваются все каналы АЦП. Это напряжение также используется портом 0, если АЦП не используется. Если не требуется высокая точность, контакт Vref может быть соединен с контактом Vсс. Если точность очень важна, источник Vref должен быть очень стабильным. Один из способов повышения стабильности - с помощью использования прецизионного источника питания или отдельного стабилизатора напряжения (обычно интегральной схемы). Эти устройства должны быть подключены к контактам ANGND и Vref.

1.5. Использование смешанных аналоговых и цифровых входов

Порт 0 может использоваться и для аналоговых и для цифровых входных сигналов одновременно. Однако, при чтении Порта 0 (чтение ячейки 0EH), некоторый шум может быть внесен в аналоговую схему. По этой причине, убедитесь ,что во время чтения Порта 0, аналогово-цифровое преобразование не выполняется.

1.6. Передаточная функция и источники ошибок ацп

Результат преобразования - 8- или 10-битное представления отношения входного напряжения к опорному напряжению. Чтобы вычислить результат 10-битного преобразования, используется следующая формула:

Результат = 1023 x (Vin - ANGND)/(VREF - ANGND)

Передаточная функция представляет собой ступенчатый график зависимости выходного кода от входного напряжения.

Для простых прикладных задач, достаточно знать абсолютную погрешность преобразователя. Однако, чем сложнее прикладная задача, тем важнее полностью понять работу преобразователя.

Для каждого 10-битного кода на выходе АЦП существует уникальный диапазон входных напряжений (обычно 1.5 мВ), который генерирует этот код.

Ошибки в процессе аналого-цифрового преобразования :

- ошибка квантования;

- ошибка нулевого смещения;

- полномасштабная ошибка ;

- дифференциальная нелинейность;

- нелинейность.

Все эти ошибки - ошибки передаточной функции, связанные с аналогово-цифровым преобразователем. Кроме того, источниками ошибок может быть следующее: температурные коэффициенты, изменения напряжения источника питания, качество конденсатора выборки, изоляция мультиплексора, соответствие "канал-канал", шум системы.

Достоинство абсолютной погрешности в том, что она описывает сумму всех отклонений между реальным процессом преобразования и идеальным преобразователем. Однако, в большинстве прикладных задач важны различные подкомпоненты ошибки.

Неизбежная ошибка следует из преобразования непрерывного напряжения к целому цифровому представлению. Эта ошибка называется ошибкой квантования и - всегда равна значению 0.5 LSB. Ошибка квантования - единственая ошибка, присутствующая в совершенном АЦП, и очевидно представленная в реальных преобразователях.

Передаточная функция для идеального 3-битного АЦП представлена как идеальная характеристика (см. рис. 6.4.). Обратите внимание что идеальная характеристика обладает следующими уникальными качествами:

- Первый переход кода происходит когда входное напряжение равно 0.5 LSB;

- Полномасштабный переход кода происходит когда входное напряжение равно Vref - 1.5 LSB

- дискретность кодов - точно один LSB.

Эти качества приводят к преобразованию в цифровую форму без ошибок нулевого смещения, без ошибок полномасштабности и без ошибок линейности.

Реальная характеристика гипотетического 3-битного преобразователя несовершенна. Когда идеальная характеристика накладывается на реальную характеристику, реальный преобразователь, как видно, проявляет ошибки в местах первых и последних переходов кода и в дискретности кода, как показано на рис.6.5. Отклонение первого перехода кода от идеального - это так наываемая ошибка нулевого смещения, а отклонение последнего перехода кода от идеального - полномасштабная ошибка.

Отклонение дискретности кода от идеальной приводит к двум типам ошибок: дифференциальная нелинейность и нелинейность.

Дифференциальная нелинейность - мера локальной ошибки дискретности кода, в то время как нелинейность - мера полной ошибки перехода кода.

Дифференциальная нелинейность - степень, с которой реальные дискретности кода отличаются от идеальной дискретности одного наименее значимого разряда. Это дает пользователю меру того, насколько может измениться входное напряжение, чтобы результат преобразования изменился на единицу.

Рис.6.4. Характеристика идеального аналогово-цифрового

преобразования

Рис 6.5. Реальная и идеальная характеристики аналогово-цифрового преобразования

В 10-битном преобразователе, идеальная дискретность кода - 5 мВ (5.12 VREF/1024).То есть при изменении входного напряжения на 5 мВ, результат преобразования изменяется на единицу. Если определяется, что такой преобразователь имеет максимальную дифференциальную нелинейность 2 LSBs (10 мВ), тогда максимальная дискретность кода будет больше идеальной не больше чем на 10 мВ, то есть 15 мВ.

Реальная дискретность кода в преобразователе обычно изменяется от 2.5 мВ до 7.5 мВ.

Дифференциальная нелинейность и нелинейность определяются измерениями ошибок линейности на граничных участках характеристики. Для этого из реальной характеристики строят новую характеристику. Реальная характеристика транслируется и масштабируется, чтобы по возможности устранить ошибку нулевого смещения и полномасштабную ошибку, как показано на рис.6.6. Практически, это выполнимо, используя входные схемы, которые включают усиление и подстраивают смещение.

Рис.6.6. Характеристика аналогово-цифрового преобразования, основанная на граничных значениях

Другие факторы, которые воздействуют на реальную систему аналогово-цифрового преобразователя включают:

- дрейф температуры;

- отказ полностью подавлять нежелательные сигналы;

- несоответствие каналов мультиплексора;

- произвольный шум.

Если эти факторы незначительны, их воздействие мало. Дрейф температуры - норма изменения типовых параметров микропроцессора при изменении температуры окружающей среды. Эти изменения выражаются в температурных коэффициентах.

Паразитные сигналы поступают из трех основных источников: шум источника питания, изменения входного сигнала на преобразовываемом канале (после того, как выборка была осуществлена) , и поступление в каналы сигналов, не выбранных мультиплексором.

И наконец, встроенные в каналы мультиплексора резисторы немного отличаются друг от друга, что и вызывает ошибки соответствия "канал-канал" и ошибки повторяемости.