Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

 

АЦП – устройство, преобразующее аналоговое напряжение в цифровой код.

n – число разрядов

 

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

ЦАП – устройство, служащее для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал.

Отрицательные числа записываются в дополнительном коде – инверсный прямой код (0 в 1, 1 в 0 – инверсия)

Эта операция сложнее технически. Поэтому сделали по-другому. Операция вычитания была заменена сложением с помощью инверсии.

 

Реальная характеристика АЦП (однополярных)

u _max = 1; 1,5; 5; 10 В

N – число разрядов.

Для N = 10 → 2¹⁰ = 1024 – количество возможных вариантов изменения кода

Максимальное значение выходного кода 2 ^N, которому соответствует максимальное напряжение преобразования u _max.

u _x – идеальная характеристика (т.к. угол наклона к оси абсцисс составляет 45°).

N =8     2 ^N =256

10        1024          При u _max=10,24 В и N = 10 → Δ u =10,24/1024=10 мВ

12        4096              

Δ u – разрешение (разрешающая способность) АЦП, определяется:

Δ u = u _max/2 ^N

Разрешение АЦП показывает, на сколько должно измениться входное напряжение, чтобы выходной код изменился на единицу (на один младший разряд).

u = код *Δ u = код*  (для положительных напряжений)

Некоторые АЦП позволяют преобразовывать и отрицательные напряжения.

 

Погрешности преобразования

Погрешность в нулевой точке. Погрешность в начале шкалы показывает -10, чтобы был 0 на входе. Погрешность в конце шкалы учитывается с помощью калибровки.

Интегральная нелинейность – максимальное отклонение квантового сигнала от идеальной характеристики преобразования за вычетом половины идеальной величины шага квантования;

Дифференциальная нелинейность – максимальная разность выходных кодов АЦП при подаче на вход последовательно двух значений сигналов, различающихся на шаг квантования, то есть на минимальную величину 1/2 ⁿ, где n – число разрядов АЦП.

Температурный коэффициент преобразования – это зависимость результатов преобразования от температуры.

Пусть при изменении  на  код не изменился на 1, это приведёт к смещению характеристики. Виды погрешностей:

- погрешность нелинейности преобразования;

- интегральная нелинейность.

Если при изменении  на  код изменился на 2 единицы, то данная погрешность называется дифференциальной нелинейностью.

Обратный пересчёт измеренного напряжения осуществляется по формуле:

 

 

Двуполярные АЦП

Измеряют входное напряжение в диапазоне от  до .

Разрешение для двуполярных АЦП определяется так же, как и для обычных.

 

Отрицательные числа в вычислительных системах записываются в дополнительном коде. В этом коде старший разряд – разряд знака. Если он равен нулю, то число положительное, если он равен единице – число отрицательное. Числа равны проинвертированному значению положительного числа за вычетом единицы, следовательно, максимальное значение 2 ^{N -1} (единица ушла на знак). В этом случае разрешающая способность:

Δ u =

 

Приведение результатов N-разрядного преобразования АЦП к M-разрядным данным вычислительного устройства.

АЦП N

                        N≤M

ШД   M

Допустим: N=10, M=16

В случае, если АЦП биполярный, то:

N: D0…D8-разряды данных, D9 - знак

М: D0…D8                          D9, D10…D15-знак

Если D9=1, то D10=1, D15=1.

При приведении отрицательных чисел с меньшей разрядностью в большую, анализируется старший бит данных АЦП (разряд знака) и, если он равен единице (т.е. отрицательное число), то во все более старшие разряды данных вычислителя записываются единицы. Иначе отрицательного числа не получим.

Чтобы перенести знак из 10-го разряда в 16-й, необходимо проанализировать, что реально записано в 10 разряде. Анализ проводится путём логического умножения на маску, в которой только 10-й разряд равен 1. Если результат не равен 0 (1·1 = 1), необходимо логически дополнить (добавить) все оставшиеся до старшего разряды единицами путём операции логического сложения, где все оставшиеся до старшего разряды равны 1, а все остальные равны 0.