Короткі теоретичні відомості. Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є пристроями, які беруть вхідні аналогові сигнали (напруга) і генерують відповідні їм цифрові сигнали

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є пристроями, які беруть вхідні аналогові сигнали (напруга) і генерують відповідні їм цифрові сигнали, придатні для обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями.

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) забезпечує перетворення вхідної інформації у цифровій формі у вихідну інформацію в аналогової формі. Вихідна напруга пропорційно вхідного коду .

Системи збору даних загального призначення за швидкістю дискретизації і роздільної здатності зазвичай займають місце між осцилографом і цифровим мультиметром. В обладнанні такого типу використовуються АЦП послідовного наближення або сигма-дельта АЦП.

Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму, проте це завдання вдається вирішити лише у рідкісних випадках із-за складності таких перетворювачів.

Тому в даний час найбільш раціональним визнається спосіб перетворення різних за фізичну природу величин спочатку у функціонально пов'язані з ними електричні, а потім вже за допомогою перетворювачів напруга-код у цифрові. Саме ці перетворювачі мають зазвичай на увазі, коли говорять про АЦП.

Процедура АЦП безперервних сигналів, яку реалізують за допомогою АЦП, являє собою перетворення безперервної функції часу , що описує вихідний сигнал, в послідовність чисел віднесених до деяких фіксованим моментам часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називається дискретизацією і полягає в перетворенні безперервної функції часу в безперервну послідовність . Друга називається квантуванням і полягає в перетворенні безперервної послідовності в дискретну .

В основі дискретизації безперервних сигналів лежить принципова можливість подання їх у вигляді зважених сум:

.

Для забезпечення дискретизації синусоїдального сигналу частотою 100 кГц з похибкою 1% час перетворення АЦП має дорівнювати 25 нс. У той же час за допомогою такого швидкодіючого АЦП принципово можна дискретизувати сигнали, що мають ширину спектра близько 20 МГц. Таким чином, дискретизація за допомогою самого АЦП призводить до істотної розбіжності вимог між швидкодією АЦП і періодом дискретизації.

Ця розбіжність досягає 2... 3 порядків і сильно ускладнює та здорожує процес дискретизації, так як навіть для порівняно вузькосмугових сигналів вимагає достатньо швидкодіючих АЦП. Для досить широкого класу швидкоплинних сигналів цю проблему вирішують за допомогою пристроїв вибірки-зберігання, що мають малий час апертури.

В даний час відома велика кількість методів перетворення напруга-код. Ці методи суттєво відрізняються один від одного потенційної точністю, швидкістю перетворення і складністю апаратної реалізації. На рис.15. 1 представлена класифікація АЦП за методами перетворення.

Якщо в двійковому числі розрядів, то все воно може мати значень, тоді величина молодшого значущого розряду буде дорівнює

,

де – максимальне аналогове напруга (опорне напруга). У цьому випадку, якщо цифровий код дорівнює , то йому відповідає напруга

.

Рис.15.1. Класифікація АЦП

Крім того, слід зазначити, що деякі перетворювачі використовують не тільки двійковий, а й (або) двійково-десятковий коди.

Якщо перетворювач може працювати з негативними напруженнями, то негативні числа, як правило, бувають представлені в двійково-додатковому коді.

Дозвільна здатність АЦП – мінімальна зміна величини аналогового сигналу, яке може бути перетворена даним АЦП ‑ пов'язана з його розрядністю. У разі одиничного вимірювання без урахування шумів дозвільна здатність безпосередньо визначається розрядністю АЦП.

Розрядність АЦП характеризує кількість дискретних значень, які перетворювач може видати на виході. У двійкових АЦП вимірюється в бітах, в трійкового АЦП вимірюється в тритіях. Наприклад, двійковий АЦП, здатний видати 256 дискретних значень (0...255), має розрядність 8 біт, оскільки , трійкового АЦП, який має розрядність 8 тритіїв, здатний видати 6561 дискретне значення, оскільки .

Дозвільна здатність за напругою дорівнює різниці напруг, відповідає максимальному і мінімальному вихідному коду, поділеній на кількість вихідних дискретних значень.