Аналого цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. ГОСТ 30605-устанавливает следующие основные определения относящиеся к АЦП:

преобразователи измерительные напряжения и тока цифровые: Конструктивно и функционально законченные устройства, обладающие нормированными характеристиками и предназначенные для реализации заданной функциональной зависимости между размерами информативных параметров в виде электрических непрерывных сигналов постоянного напряжения или постоянного тока в стандартизованный электрический цифровой кодированный выходной сигнал для дальнейшего использования в микропроцессорных шинах или стандартных интерфейсах.

количество разрядов кода: Количество двоичных символов, которыми отображается цифровой кодированный выходной сигнал (выходной код);

значащий разряд: Разряд выходного кода, содержащий информацию об измеряемой величине;

время преобразования: Интервал времени от момента изменения сигнала на входе АЦП до момента появления на выходе соответствующего устойчивого кода;

максимальная частота преобразования: Наибольшая частота дискретизации, при которой параметры преобразования АЦП соответствуют заданным значениям;

диапазон входных сигналов: Интервал значений входных сигналов, в пределах которого пронормированы погрешности АЦП;

ступень квантования: Разность между двумя соседними значениями квантованной величины;

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}- цифровой сигнал.

Частота должна быть выбрана на основании теоремы отсчетов (Котельникова)  где - максимальная частота в спектре исследуемого сигнала. Помимо частоты дискретизации необходимо учитывать так называемое апертурное время.

Апертурным временем t_a называют время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Эффект апертурной неопределенности проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении сигнала. При равномерной дискретизации следствием апертурной неопределенности является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени.

Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то ее наличие приводит к "дрожанию" истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В результате вместо равномерной дискретизации со строго постоянным периодом осуществляется дискретизация с флюктуирующим периодом повторения, что приводит к нарушению условий теоремы отсчетов и появлению уже рассмотренных апертурных погрешностей в системах цифровой обработки информации.

Такое значение апертурной погрешности можно определить, разложив выражение для исходного сигнала в ряд Тейлора в окрестностях точек отсчета, которое для j-й точки имеет вид

 

и дает в первом приближении апертурную погрешность

, (4)

 

где t_a - апертурное время, которое для рассматриваемого случая является в первом приближении временем преобразования АЦП.

 

Обычно для оценки апертурных погрешностей используют синусоидальный испытательный сигнал U(t)=U_msinwt, для которого максимальное относительное значение апертурной погрешности

DU_a/U_m=wt_a.

 

Рис.5.13. Образование апертурной погрешности для случая, когда она равна шагу квантования.

 

Если принять, что для N -разрядного АЦ П с разрешением 2^-N апертурная погрешность не должна превышать шага квантования (рис. 1), то между частотой сигнала w, апертурным временем t_a и относительной апертурной погрешностью имеет место соотношение

1/2^N=wt_a

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП приводит к существенному расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение достигает 2...3 порядков и сильно усложняет и удорожает процесс дискретизации, так как даже для сравнительно узкополосных сигналов требует весьма быстродействующих АЦП. Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

 

Рис.5.14. Классификация АЦП

 

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис. 2 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Параллельные АЦП

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 3 показана реализация параллельного метода АЦ -преобразования для 3-разрядного числа.

 

Рис.5.15. Схема параллельного АЦП

 

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.

Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от 5/2h, до 7/2h, где h=U_оп/8 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором, диаграмма состояний которого приведена в табл.1.

 

 

Таблица 1

Входное напряжение	Состояние компараторов							Выходы
Uвх/h	К7	К6	К5	К4	К3	К2	К1	Q2	Q1	Q0
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	1
2	0	0	0	0	0	1	1	0	1	0
3	0	0	0	0	1	1	1	0	1	1
4	0	0	0	1	1	1	1	1	0	0
5	0	0	1	1	1	1	1	1	0	1
6	0	1	1	1	1	1	1	1	1	0
7	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

К выходу приоритетного шифратора подключается параллельный регистр на D триггарах.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N -разрядный параллельный АЦП с держит 2^N-1 компараторов и 2^N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.

Последовательные АЦП

АЦП последовательного счета

Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 8). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.

 

Рис.5.16. Структурная схема АЦП последовательного счета

Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи U _ос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f _такт равно

t _{пр.макс} =(2 N -1)/ f _такт. (5)

Например, при N =10 и f _такт =1 МГц t _{пр.макс} =1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.

Особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.