3. Лабораторная работа N 3.
"АЦП поразрядного уравновешивания".
Теория.
Преимушества обработки информации и осуществления функций управления с использованием цифровых методов становятся все более очевидными. Однако данные, которые мы получаем из реального мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких измерительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выработки хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) .
Наиболее важным компонентом таких систем является аналого-цифровой преобразователь АЦП.
Принципы работы ацп.
В этом разделе вводятся основные понятия и объясняются некоторые широко используемые термины, относящиеся к АЦП, а также описываются характеристики входных и выходных сигналов типичного АЦП.
Основное соотношение между входными и выходными сигналами Аналого-цифровое преобразование по существу является операцией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал Ui преобразуется в цифровой код Nвых по какой-либо функциональной зависимости, чаще всего линейной или точнее кусочно-линейной: Nвых = f (Ui) . При этом могут использоваться различные алгоритмы отыскания цифрового эквивалента входного аналогового сигнала. Например, довольно часто в основе этого процесса лежит преобразование входного сигнала в дробь x путем сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала Ur. Цифровой сигнал преобразователя есть кодовое представление этой дроби. Это фундаментальное соотношение иллюстрируется на рис.1 (а). Если выходной код преобразователя является n-разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2n. Для взаимно однозначного соответствия диапазон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней.
Каждый
квант (величина интервала) такого
разбиения представляет собой значение
Рис.1. Аналого-цифровой преобразователь.
(а) Взаимосвязь сигналов.
(б) Передаточная характеристика идеального 3-разрядного АЦП.
аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют также величиной младшего разряда (МЗР) . Таким образом,
Q = МЗР = ПД/2n,
где Q - квант, МЗР - аналоговый эквивалент единицы МЗР, ПД - полный диапазон изменения входного аналогового сигнала.
Все аналоговые величины внутри заданного интервала разбиения представляются одним и тем же цифровым кодом, которому обычно ставят в соответствие значение аналоговой переменной в средней точке интервала, называемое пороговым уровнем. Тот факт, что входной сигнал может отличаться от порогового уровня на величину, достигающую ё 1/2 МЗР, не отличаясь при этом по кодовому представлению, означает, что любому процессу аналого-цифрового преобразования присуща неопределенность (погрешность) дискретизации, равная ё 1/2 МЗР. Ее влияние можно только уменьшить, увеличивая число разрядов в выходном коде преобразователя. На рис.1 (б) иллюстрируется взаимосвязь входных и выходных сигналов для идеального 3-разрядного АЦП. Величина МЗР равна 1/8 ПД, а диапазон изменения входного сигнала разбит на 8 отдельных уровней, от 0 до 7/8 ПД.
Обратим внимание, что максимальное двоичное число 111 на выходе преобразователя соответствует не полному диапазону, а 7/8 ПД. C учетом того что, одна из кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню входного сигнала, максимальный выходной сигнал АЦП всегда соответствует аналоговой величине полного диапазона минус 1 МЗР.
Разрешение преобразователя
Этот наиболее важный параметр преобразователя определяется как минимальная величина изменения аналогового напряжения на входе АЦП, вызывающая изменение выходного кода на один МЗР. Значение этого параметра обычно указывается в расчете на идеальный преобразователь и поэтому скорее отражает возможности преобразователя, чем его реальные рабочие характеристики. Разрешение может задаваться в процентах от полного диапазона, в милливольтах для заданного диапазона изменения входного сигнала или просто, как это чаще всего делается, числом разрядов преобразователя.
Точность преобразователя
Точность преобразователя определяется как максимальная разность между фактическим входным напряжением и аналоговым эквивалентом двоичного выходного кода при заданном полном диапазоне. Этот параметр называют абсолютной точностью, когда его значение указывается в реальных вольтах. Однако гораздо чаще при определении точности на единицу измерения аналогового сигнала принимается величина МЗР; тогда речь идет об относительной точности. В любом случае, точность преобразователя есть максимальное значение суммы всех его погрешностей, включая погрешность квантования. В спецификации погрешностей преобразователя обычно указываются отдельные погрешности в единицах МЗР. Для преобразователей, которые не требуют коррекции смещения или усиления (к ним относится, например, АЦП ADC0816 фирмы National Semiconductor) , может быть указана полная некорректируемая погрешность (ё1/2 МЗР для ADCO816) . Точность не всегда включается в технические характеристики АЦП, если указаны отдельные погрешности, но ее очень просто рассчитать.