Принципи АЦ-перетворення. Параметри АЦП.

Задачею АЦ-перетворення є однозначне перетворення аналогової величини (переважно напруги) у пропорційний їй двійковий код. Реалізує цю задачу АЦП, статична характеристика якого показана на рис.7.8, а, АЦ-перетворення при неперервній зміні вхідного сигналу у послідовність n-розрядних чисел здійснюється у фіксовані моменти часу. Кількісний зв’язок перетворення аналог-код для довільного часу .

, (7.13)

де − крок квантування, тобто аналоговий еквівалент одиниці MP коду ; − похибка перетворення на і-му кроці квантування.

а) б)

Рис. 7.8. Принцип АЦП.

Отже, АЦ-перетворення складається з процесу квантування за рівнем дискретизованого у часі аналогового сигналу та подальшого його кодування. Тому важливо, щоб протягом деякого скінченного відрізку часу сигнал на вході АЦП залишався незмінним. Цю функцію виконує схема вибірки-запам’ятовування (СВЗ) (рис.7.8, б). Сигнал на виході СВЗ пропорційний сигналу на вході доти, поки від зовнішнього генератора імпульсів це надійде керуючий сигнал на запам’ятовування. Після цього сигнал на виході СВЗ залишається постійним протягом деякого проміжку часу, що необхідно для перетворення на цифровий код за допомогою АЦП.

На відміну від ЦА-перетворення АЦ-перетворення є більш складним процесом і характеризується наявністю як методичних, так і апаратурних похибок. Вже сам процес квантування спотворює вхідний сигнал. Згідно з теоремою В.О.Котельникова про дискретизацію для точного відтворення неперервного сигналу з дискретного потрібно мати частоту опитування (вибірки) хоча б удвічі більшу за частоту найвисокочастотнішої гармоніки вхідного сигналу. Отже, частота квантування обмежена зверху часом перетворення, тобто швидкодією АЦП.

Проміжок часу між моментом фіксації і моментом появи цифрового еквівалента на виході АЦП називається часом апертури *, або апертурним часом АЦП. Похибка, що виникає внаслідок невідповідності вхідного сигналу перетвореному цифровому еквіваленту , називається апертурною похибкою АЦП. Дана динамічна похибка виникає тоді, коли протягом АЦ-перетворення змінюється більше, ніж на одиницю МР. Це приводить до деякої невизначеності перетворення, особливо при різкій зміні , бо у такому випадку стає невідомо, яким у дійсності було миттєве значення у момент вибірки .

* Апертура – від лат. aertura – проріз, пролом.

Таким чином, при АЦ-перетворенні виникать як статичні, так і динамічні перетворення. Перші є результатом відхилення реальної статичної характеристики АЦП (рис.7, 8, а) від ідеальної прямої лінії на всьому динамічному діапазоні, другий − результат невідповідності часу (періоду) дискретизації та часу перетворення при зміні вхідного сигналу. Для зменшення динамічної (апертурної) похибки перетворення якраз і служить СВЗ, що має два стійких режими роботи − вибірки і запам’ятовування (зберігання) перетворюваної вхідної напруги. Оскільки СВЗ запам’ятовує у момент часу, яжий точно визначений керуючим сигналом на запам’ятовування, час апертури, отже, і апертурна похибка АЦП, суттєво знижуються і визначаються тільки часом апертури СВЗ, тобто максимальний часом від моменту подачі команди на запам’ятовування до моменту початку входження СВЗ у режим залам’ятовування. Очевидно, що час апертури СВЗ залежить в основному від динамічних параметрів ключа, що входить до складу СВЗ.

Елементом запам’ятовування у СВ3, як правило, є конденсатор, що під’єднаний до входу повторювача на ОП. Останній відіграє роль буфера між входом АЦП і конденсатором.

До найважливіших параметрів та характеристик АЦП належать:

діапазон перетворення − різниця між максимальним та мінімальним значеннями вхідної напруги ;

нелінійність − похибка, зумовлена відхиленням статичної характеристики АЦП (див. рис.7.8, а) від лінійної; диференційна нелінійність визначає наскільки більша або менша реальна сходинка між сусідніми кодами характеристики від ідеальної;

час перетворення − інтервал часу від моменту запуску АЦП до появи вихідного коду;

розрізняльна здатність − значення одиниці МР n-розрядного АЦП; вона визначається як відношення максимального значення вхідного сигналу до числа квантованах рівнів .

Отже, якщо абсолютна похибка квантування дорівнює відстані між рівнями, відносна похибка АЦ-перетворення . Наприклад, відносна похибка перетворення десяти розрядного АЦП .Якщо відносна похибка АЦ-перетворення задана, за нею легко можна розрахувати розрядність АЦП.

Відомо багато способів АЦ-перетворення, і кожний з них має свої переваги і недоліки для конкретних практичних випадків. До найбільш поширених способів АЦ-перетворення належать способи послідовного наближення (або порозрядного зважування), паралельного кодування та подвійного інтегрування.

Серед схем АЦП, що виконані в інтегральному виконанні, найчастіше зустрічаються АЦП послідовного наближення та паралельного кодування. Деякі з перерахованих способів АЦ-перетворення можуть бути реалізовані на базі ЦАП.

АЦП різних типів як пристрій спряження джерел аналогових сигналів широко використовуються в аналогових системах збирання інформації, що працюють разом з міні-ЕОМ та мікроЕОМ, а також з мікропроцесорними пристроями обробки інформації, у цифрових вимірювальних приладах тощо.