9.2. ПАРАМЕТРЫ И МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АЦП

Основные параметры АЦП можно разделить на две группы: характеризующие статическую точность и динамическую точность [7; 22].

Параметры, характеризующие статическую точность, определяют работу АЦП при дискретизации квазипостоянных физических величин. К этим параметрам относятся: погрешность квантования, инструментальная погрешность (погрешность смещения нуля, погрешность коэффициента передачи, нелинейность), временная нестабильность, разрешающая способность, диапазон измеряемых величин, входное сопротивление.

Погрешность квантования (дискретности) -методическая погрешность (рис. ), вызванная конечным значеннем шага квантования (единица младшего разряда ЕМР), максимальное значение которой (рис. 9.3, б), а среднеквадратическое отклонение .

Инструментальная погрешность возникает из-за несовершенства средств измерения и содержит следующие составляющие: погрешность смещения нуля (аддитивная погрешность), погрешность коэффициента передачи (мультипликативная погрешность) и нелинейность.

Погрешность смещения нуля (аддитивная) — часть общей погрешности, характеризующая параллельный сдвиг всей передаточной характеристики реального АЦП по отношению к идеальному . Погрешность коэффициента передачи (мультипликативная) — величина, характеризующая отклонение крутизны усредненной передаточной характеристики АЦП от крутичиы идеальной характеристики (рис. ). Нелинейность — отклонение передаточной характеристики АЦП от идеальной во всем диапазоне изменения входного сигнала, при ьтом часто используют понятие дифференциальной нелинейности .

Временная нестабильность характеризует способность АЦП сохранять статическую точность в течение определенных интервалов времеии. Различают кратковременную и долговременную стабильности.

Разрешающая способность — это способность АЦП различать два значения входного сигнала, характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности.

Диапазон измеряемых величин — максимальные дгтая и минимальные для данного АЦП значения измеряемой величины.

Рис. 9.3.

Рис. 9.4.

Входное сопротивление характеризует степень влияния входа АЦП на измеряемую величину. Если входное сопротивление невелико и соизмеримо с сопротивлением источника сигнала и оно не постоянно, то это может привести к появлению дополнительных погрешностей. Поэтому к величине входного сопротивления предъявляют жесткие требования по постоянству и велнчиие.

Возникновение динамических связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.

К параметрам, карактеризующим динамическую точность, относятся: частота дискретизации (шаг дискретизации), время преобразования, время выборки (стробирования).

Частота дискретизации — это частота , о которой происходит образование дискретных значений сигнала.

Время преобразования — это время, отсчитываемое от начала преобразования до появления на выходе кода, соответствующего данной выборке.

Время выборки — это время, в течение которого проиоходит образование одного выбранного значения (рис. 9.5).

По принципу действия АЦП делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. При этом последовательную процедуру можно реализовать G помощью как единичных (развертывающего или следящего уравновешивания), так и последовательных приближений (поразряцного уравновешивания) 22; 57; 58].

Рис. 9.5.

В АЦП последовательного типа развертывающего уравновешивания (рис. 9.6,а), состоящего из компаратора К, генератора счетных импульсов ГСИ с периодом , счетчика , схемы управления СУ и ЦАП, входной сигнал поступает на один вход компаратора, а на другой — сигнал обратной связи с ЦАП. Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска на СУ, который включает счетчик, выходной код которого подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в сигнале обратной связи. Компенсирующее напряжение обратной связи с ЦАП растет от начального значения до значения . В момент достижения напряжением U величины компаратор срабатывает, и его выходной сигнал заканчивает процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой эквивалент.

Время преобразования АЦП этого типа определяется величиной входного сигнала. Его максимальное значение , где m — число разрядов двоичного счетчика; период следования счетных импульсов. Основные особенности АЦП последовательного типа — простота построения, небольшая частота дискретизации , малая статическая погрешность . Области применения — цифровые вольтметры постоянного тока и цифровые системы, предназначенные для работы с постоянными и медленно изменяющимися напряжениями.

В АЦП последовательного типа следящего уравновешивания (рис. ) в отличие от АЦП развертывающего уравновешивания вместо суммирующего счетчика используется реверсивный . В момент достижения величины АЦП переходит в следящий режим и выходной код АЦП колеблется вокруг среднего значения g точностью до шага квантования. Если скорость изменения не превышает максимальной скорости изменения компенсирующего напряжения , то в любой момент не отличается от измеряемого напряжения более чем на шаг квантования .

Это соотношение определяет апертурную погрешность АЦГТ, а период счетных импульсов явтяется апертурным времени. В следящем режиме работы АЦП цифровой код измеряемой величины можно снять в любом такте работы преобразователя.

В АЦП последовательного типа поразрядного уравновешивания (последовательных приближений) (рис. 9.6,в) процесс уравновешивания происходит с помощью программного устройства ПУ в направлении от старших разрядов с весом к младшим с весом .

Рис. 9.6.

Это позволяет для -разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за последовательных шагов приближений (итераций) вместо при развертывающем уравновешивании и получить выигрыш в быстродействии.

Алгоритм работы такого типа АЦП состоит в том, что ПУ и СУ задают направление перехода в зависимости выходного сигнала компаратора. В начальный момент по импульсу запуска ПУ устанавливается в состояние , при котором значение определяется весом старшего разряда выходного двоичного числа. Затем в течение тактов напряжение последовательно приближается к значению входного сигнала . При этом на каждом такте возможна одна из ситуаций: 1) если , то производится установка следующего младшего разряда в АЦП при сохранении состояния всех предшествующих старших разрядов; 2) если , то установка младшего разряда в «1» сопровождается сбросом предыдущего старшего разряда в .

В результате, по истечении тактов приближения компенсирующее напряжение приблизится к с точностью до шага квантования При этом время преобразования . Таким образом, в АЦП поразрядного кодирования сокращение времени преобразования достигается усложнением ПУ и СУ процедурой последовательного изменения во времени компенсирующего напряжения с ЦАП, мируемого цифровым способом.

АЦП с двухтактным интегрированием [7; 57]. Основным недостатком рассмотренных АЦП последовательного типа является их низкая помехоустойчивость от сетевых наводок.

Рис. 9.7.

Этот недостаток можно устранить, если в процессе преобразования использовать операцию интегрирования за фиксированный интервал времени. К преобразователям такого типа относится АЦП с двухтактным интегрированием (рис. 9.7,а), в котором полный цикл работы состоит из двух тактов.

В первом такте с помощью аналогового интегратора (АИ) на операционном усилителе ОУ входное напряжение интегрируется за фиксированный интервал времени , где — емкость счетчика, определяющая разрешающую способность АЦП. При этом на интегрирующем конденсаторе АИ накапливается заряд , где — среднее входное напряжение за время Т, Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения который имеет полярность, противоположную входному напряжению и подключается к АИ с помощью аналогового ключа АК. Этот процесс продолжается до возвращения конденсатора в начальные условия (рис. 9.7, б), что фиксируется компаратором К. При этом удаленный из конденсатора заряд , где — время разряда конденсатора. Так как , то тогда , где — шаг квантования.

Таким образом, используя операцию интегрирования входного сигнала, можно получить усреднение и сглаживание всех быстрых по сравнению с временем интегрирования Т помех, наводок (сетевых) и шумов.

В частности, синхронизируя работу такого АЦП с напряжением сети и выбирая Гц кратное периоду частоты питающей сети, можно полностью подавить наводки, проходящие по цепям питания.

В параллельных АЦП выполняется одновременно квантование сигнала с помощью набора компараторов К, включенных параллельно источнику сигнала (рис. 9.8,а). Пороговые уровни компараторов устанавливают с помощью резистивных делителей.

Рис. 9.8.

Число m пороговых уровней зависит от количества дискретных значении преобразуемого сигнала в полном диапазоне преобразования . Пороговые уровни компараторов для всех . Таким образом, если превышает значение , то срабатывают компараторы, пороговые уровни которых При этом выходные сигналы с компараторов устанавливают в единичное состояние соответствующие разряды поразрядного регистра. В регистре образуется число, пропорциональное , в виде кода Джонсона, который зятем с помощью преобразователя Кодов преобразуется в параллельный двоичный код.

Достоинство АЦП параллельного типа — высокое быстродействие, так как входной сигнал за один шаг преобразования сравнивается с полным набором пороговых уровней.

Длительность такой операции преобразования определяется временем срабатывания компараторов и быстродействием цифровых элементов, входящих в регистр и преобразователь кодов. Однако это достоинство достигается за счет аппаратных затрат, гак как количество компараторов и элементов памяти равно . Поэтому АЦП параллельного типа применяют только для построения быстродействующих АЦП малой разрядности.

В АЦП последовательно-параллельного типа -разрядов разбиваются на несколько групп (21]. Внутри каждой группы применяется параллельное преобразование, но группа за группой работают последовательно во времени. При этом резко сокращаются аппаратные затраты по сравнению с АЦП параллельного типа, а быстродействие уменьшается незначительно, так как полное время преобразования , где — время преобразования одной группы.

Первый этап преобразования выполняется параллельным АЦП1 (ПАЦП1), имеющим двоичных разряда. При этом после первого этапа преобразования образуется двоичное число, представляющее разряды первой группы , и остаточное натряженне , где — результат обратного преобразования -разрядного ЦАП1. Остаток не превышающий шага квантования , усиливается в раз и подается на второй параллельный АЦП2 , имеющий двоичных разрядов. После второго этапа пробразования получается двоичное число, представляющее разряды второй группы . При этом шаг квантования после второго этапа, преобразования не превышает . Аналогично для третьей группы и для группы

На рис. изображена структурная схема последовательно-параллельного АЦП на 12 разрядов, разбитого на четыре группы по три двоичных разряда в каждой. Пусть шаг квантования АЦП составляет , тогда при диапазон входного сигнала будет от 0 до 4,096 В. Рассмотрим процесс преобразования для . Диапазон значений от 0 до 4,096 В разделен на восемь равных участков (рис. 9.8,в). Границами между ними служат значения опорных напряжений . Крестиками обозначены точки, соответствующие напряжению, поступающему на очередной АЦП в каждом из четырех тактов.

Таблица 9.1

Трехразрядные двоичные коды, образующиеся при этом на выходах АЦП, соответствуют кодам, находящимся на рис. 9.8,в над участками с крестиками. Процесс преобразования показан в табл. 9.1.

По окончании четвертого такта на выходе АЦП образуется код 011 000 101 111, что соответствует значению .