Временные характеристики АЦП

∆ t – время преобразования (шаг квантования) – время, необходимое для работы преобразования  в код АЦП.

∆ t = const

F _АЦП=1/∆ t – частота преобразования

F_{зв. карты ПК} ~ 44,1 кГц – частота преобразования звуковой карты ПК

ЦАП имеет аналогичные характеристики наоборот.

Другие характеристики АЦП

1. Число разрядов (8, 10, 12, 14, 16, 24)

Наиболее распространены: 10, 12

Для особо точных измерений: 24

Чем больше число разрядов, тем выше Δ u.

Говорить о разрядности АЦП имеет смысл только тогда, когда величина приведённого к входу шума не превышает единицы младшего разряда.

2. Диапазон входного напряжения и полярность входного напряжения (одно- и двухполярное)

Бывают однополярные и двухполярные АЦП (для однополярного АЦП напряжение может изменяться в интервале от 0 до U _max, в двухполярных от - U _max, до U _max).

Диапазон входного напряжения обычно в пределах:

1,024 В;

2,56 В;

5,12 В;

10,24 В.

Обычно диапазон число разрядов, диапазон и полярность входного напряжения определяют разрешение АЦП (1мВ или 10мВ).

Полярность входного напряжения во многом определяется напряжением питания схемы. Для микроконтроллеров максимальное напряжение определяется напряжением питания микроконтроллера.

u _max = U _МК – для схем с внешним стабилизированным питанием.

Для микроконтроллеров автономного питания u _max выбирается меньше минимально допустимого напряжения питания.

u _{п. МК min} = 1,8 В, следовательно u _max = 1,024 В.

Это делается, чтобы исключить зависимость результатов преобразования от напряжения питания.

3. Время преобразования/частота преобразования (определяется типом микросхем, реализующих метод преобразования)

Оно зависит от метода преобразования.

4. Погрешность преобразования (интегральная и дифференциальная нелинейности)

13.4 Методы преобразования

Параллельный метод

Это наиболее быстрый метод, т.к. за 1 такт происходит преобразование напряжения в код.

Если U ⁺ > U ¯, то входной код =1, если U ⁺ < U ¯, то входной код = 0.

На положительные входы подаётся U _вх одновременно. На инверсный вход – разделённое напряжение.

В микросхеме имеется 2 ^N компараторов и 2 ^N +1 резисторов, которые делят опорное напряжение на 2 ^N. На прямой вход подаётся u _вх, на инверсный вход – u _{опорное} через резистивный делитель.

u _{опорное}= u _max

Разница напряжений между соседними компонентами равна Δ u.

Выходы компонентов фиксируются импульсом записи в триггерах памяти. В тех компонентах, в которых входное напряжение u _вх больше опорного напряжения u _{опорное}, подаваемое соответствующее число раз, присутствует логическая единица, в других случаях ноль. Эта разница и есть информационный код, который нужен. Но это неудобно, поэтому нужно осуществить обратное преобразование.

Это состояние выходов компараторов фиксируется в триггерах памяти по «+» переднему фронту импульса записи, а затем шифруется в двоичный код.

Достоинства:

· высокое быстродействие (от 100-200 МГц до 1 ГГц).

Недостатки:

· стоимость и, как следствие, дороговизна;

· высокое энергопотребление;

· возможность интегральной и дифференциальной нелинейности (из-за наличия резистивных делителей).

Данный класс АЦП относится к наиболее быстрым АЦП, поскольку преобразование проходит за один такт и отсутствие времени заряда разряда при преобразованиях. Время преобразования определяется скоростью работы компаратора и электрической схемы (триггеров, шифраторов, частотой преобразования). Все происходит за 1 такт.

Резистивной матрицей опорное напряжение уменьшается пошагово от  до  на величину разрешения АЦП.

Наличие резистивной матрицы даёт погрешность преобразования, поскольку невозможно сделать совершенно одинаковые резисторы.

За счёт параллельности преобразования увеличивается скорость преобразования сигнала, но прибор дорожает.

Каждый сигнал с компаратора записывается в память двоичным кодом (0 и 1); а с выхода памяти кодировщик упаковывает данные в шестнадцатеричный код.

Этот класс АЦП не имеет сигнала готовности.

Время преобразования определяется быстродействием компаратора, временем кодировки и временем вывода данных.

АЦП, использующие параллельный метод, в своём составе имеют буферную память – память, в которой с максимально возможной частотой оцифровки записываются данные до ее заполнения, которые потом будут перезаписаны в компьютер для дальнейшей переработки.

Преимущества:

- высокое время преобразования 100нс÷10нс, определяется задержкой в элементах АЦП.

При частоте 100МГц нужно использовать буферизацию.

Недостатки:

- если один из резисторов будет отличаться от другого, то будет появляться погрешность резистивных делителей, а значит, будут возникать погрешности в характеристике АЦП (дифференциальная, интегральная нелинейность, погрешности в начальной и конечной точках);

- дорогие АЦП.

2) Метод последовательного приближения (весовой метод)

Это метод сравнения с эталоном.

Преобразование осуществляется за несколько итераций.

Обычно преобразование проходит за 12-13 тактов.

Имеется набор резисторов, опорное напряжение делится на коэффициент деления 2 ^N.    

Опорное напряжение подвергается обратному преобразованию.

K – компаратор,

ЦАП – цифроаналоговый преобразователь,

РПП – регистр последовательных приближений,

G – генератор тактовых импульсов,

WR – импульс записи (сохранение регистров в памяти) РПП позволяет подобрать цифровой код, который максимально соответствует U _вх.

Осуществляется путём нескольких операций по алгоритму:

РПП записывает «0». Этот код проходит через регистр памяти → ЦАП→ на выходе формируется «0».

0 < U _вх→ операция не закончена, т.к. это не соответствует максимально приближенному коду.

Следующая итерация: записывается максимальный код: 2n, что соответствует опорному напряжению. Компаратор показывает, что код больше.

Запись код/2 → 2n/2→ РПП формирует этот код, что соответствует U _оп/2, которая в свою очередь соответствует напряжению на выходе ЦАП → не соответствие.

Записывается код (2n/2+2n/4) и т.д. Путём некоторых комбинаций итераций достигается код максимально приближенный к входному напряжению. Количество итераций зависит от числа разрядов и приблизительно равно числу (n+2), где n – число разрядов. Для восьми разрядов достаточно 10 итераций. По окончании итераций, когда выходной код почти равен U _вх, формируется импульс записи, фиксирующий состояние шины данных РПП или то, что идёт на ЦАП в регистр памяти, формируя сигнал готовности данных.

Если входное напряжение в течение времени преобразования изменяется, необходима схема выборки-хранения для промежуточного запоминания значения функции, чтобы все разряды были образованы из одного и того же входного напряжения.

Пусть по переднему фронту запускается АЦП. У него имеется сигнал готовности, и мы должны информировать о преобразовании. В результате идёт преобразование.

В момент времени t0 на вход запуска АЦП поступает передний фронт положительного импульса, который запускает процесс АЦП. В течение процесса преобразования АЦП производит итерации по подбору кода, максимально соответствующего входному напряжению. По окончании преобразования формируется импульс в WR, записывающий состояние внутренней шины данных АЦП в регистр памяти. После этого сигнал «готовность» устанавливается в активное состояние, т.е. данные готовы и процесс преобразования завершён.

Основные параметры АЦП:

· время преобразования, которое зависит от частоты тактового генератора и количества разрядов, может находиться в пределах от 0,4 mks ÷ 25 mks.

Преимущества:

· частота до 1 МГц;

· проще реализуется технически, чем АЦП с параллельным методом, т.к. в составе есть ЦАП;

· дешевле.

Недостатки:

· наличие дополнительных дифференциальной, интегральной нелинейностей; ухода нуля; ухода максимальной точки;

· время преобразования больше, чем в методе параллельного преобразования.

Эти погрешности обусловлены погрешностями изготовления резистивного делителя ЦАП. Нужно от него избавиться или заменить счётчиком.

Данный метод позволяет осуществить преобразование с частотой до 1 МГц.

АЦП, реализующий эти два метода, имеет в своём составе резистивный делитель. Технологически сделать абсолютно одинаковыми все резисторы – сложно, а отклонения в номиналах резисторов порождают погрешности – дифференциальную и интегральную нелинейности преобразования АЦП. Поэтому для высокоточных измерений используют АЦП без резистивных делителей.

3) Метод двойного интегрирования

В течение времени разрядки конденсатора работает счётчик  на выходе код.

 

 - зарядка напряжения в течение времени t1.

T – время интегрирования (задан счётчиком),

 - двойное интегрирование.

  

 

Использует интегрирующее звено – операционный усилитель с конденсатором в обратной связи с резистором на входе, который в первый акт преобразований в течении заданного времени заряжается входным напряжением u _вх, а во втором акте преобразования разряжается до нуля через опорное напряжение u _{опорное}. Времена зарядки/разрядки задаются счётчиками, которые тактируются высокостабильным генератором. Время разрядки зависит от напряжения, до которого был заряжен конденсатор интегрирующего звена и пропорционально входному напряжению.

Поскольку одни и те же параметры RC используются и при зарядке, и при разрядке, то изменение ёмкости конденсатора и резистора от температуры взаимно компенсируется.

Выходной код не зависит от параметра RC.

Пока не производятся работы, схемы ключ s1,s2 – разомкнуты, s3 – замкнут. Когда начинается измерения: s3 размыкается, s1 замыкается и на вход интегратора подаётся измеряемое напряжение.

Интегрирование происходит в течение постоянного времени t1, определяется счётчиком. Идёт зарядка конденсатора, → линейно увеличивается напряжение. Это и есть первичное интегрирование.

Двойное интегрирование: ключ s1 разомкнут, s2 замкнут. Интегратор начинает разряжаться через источник опорного напряжения до того, пока U _вых не станет равным 0. Время разряда зависит от времени заряда. В течение времени разряда на счётчик результата поступают импульсы от тактового генератора через D1 и D2, которые выполняют роль ключа.

При напряжении на выходе интегратора равным 0 срабатывает компаратор К и работа счётчиков блокируется (нет прохождения тактовых импульсов).

Т.к. в схеме нет резистивных делителей, этот класс АЦП не имеет дифференциальных и интегральных нелинейностей. Погрешности такого метода составляют 0,01%. Нет зависимости от С, так как не зависит от температуры. Эта схема стабильна и линейна.

Схема пригодна для прецизионных, высокоточных измерений, требующих малого разрешения ΔU, но не требующих высокой скорости преобразования.

Реализуется АЦП с количеством разрядов: 16, 20, 24 (большое число разрядов). Погрешность определяется погрешностью Uоп.

Двойное интегрирование позволяет наиболее точно производить преобразования, но за счёт большого времени преобразования.

Частоты преобразования: от нескольких десятков кГц.

АЦП, использующий этот метод, предназначены для высокоточных преобразований, не требующих высокой скорости преобразования.

Вывод: данный метод используется для высокоточных, прецезионных измерений.

Преимущества:

· отсутствие резистивных делителей и, как следствие, отсутствие интегральной и дифференциальной нелинейностей;

· т.к. зарядка и разрядка идут через одни и те же элементы, то метода не подвержен температурным воздействиям.

Недостатки:

· большое время преобразования;

· ток инжекции;

· включение/отключения ключей.