62. Операции ац преобразования и параметры.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства для автоматического преобразования аналоговых величин в числовые значения кодов. Обычно входной величиной является напряжение, это объясняется тем, что промышленность выпускает интегральные схемы АЦП для преобразования напряжений.

Процедура АЦП преобразования представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения в последовательность чисел , где n=1,2,3….

В процессе АЦП преобразования производятся три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация – это преобразование непрерывной функции в (рисунок 24.1.а) в последовательность ее отсчетов в определенные моменты времени (рисунок 24.1.b). Дискретизация бывает равномерной и неравномерной. При равномерной - период дискретизации остается постоянным, при неравномерной - меняется в зависимости от скорости изменения входного сигнала. Такая дискретизация называется адаптивной.

Квантование – это замена мгновенных значений напряжений некоторыми определенными уровнями, которые называют уровнями квантования (рисунок 24.1.c). Уровни квантования содержат целое число квантов. По существу это округление непрерывной величины до целого значения квантов. Ошибка квантования составляет половину кванта.

Кодирование – это преобразование дискретных квантованных величин в последовательность цифр, в код (рисунок 24.1.d). В АЦП используются четыре основных типа кода: натуральный двоичный, двоично-десятичный и код Грея.

Рисунок 24.1 - Процессы АЦП преобразования, а – непрерывный сигнал, b – процесс дискретизации, c - процесс квантования, d –процесс кодирования

Параметры АЦП

Для описания его свойств важен ряд показателей: входное и выходное сопротивление, потребляемая мощность, уровни входных и выходных сигналов, напряжение и полярность источников питания, наличие источников опорного напряжения, рабочий диапазон температур и т.д.

При выборе АЦП особое внимание обращают на метрологические показатели. Их разделяют на статические и динамические параметры.

Статические параметры АЦП

При последовательном возрастании входного аналогового напряжения от нуля до величины , соответствующей полной шкале АЦП, выходной цифровой сигнал образует ступенчатую линию. Эту зависимость называют характеристикой преобразования АЦП (рисунок 24.2).

Максимальному напряжению на входе, которое называется напряжением полной шкалы , соответствует максимальное значение выходного кода . Переход от одного значения кода к соседнему происходит в момент равенства напряжения целому числу квантов . Номинальное значение кванта определяется как , (24.1)

где N – разрядность двоичного кода.

Это значение называют весом младшего значащего разряда (МЗР).

Рассмотрим основные параметры АЦП.

Разрешающая способность – это величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП.

. (24.2)

Реальная характеристика преобразования может отличаться от идеальной размерами, формой ступенек и расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует ряд параметров, которые называются погрешностями преобразования.

Рисунок 24.3 - К определению погрешностей АЦП

Интегральная нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования (линия 2 на рисунке 24.3) от идеальной (линия 1 на рисунке 24.3). Из рисунка 24.3 можно определить интегральную погрешность нелинейности как наибольшее отклонение линии 2 от идеальной характеристики, отнесенное к напряжению полной шкалы

. (24.3)

Дифференциальная нелинейность – это разность приращений входной величины в двух смежных значениях кода, отнесенная к напряжению полной шкалы.

. (24.4)

Погрешность смещения нуля определяется входным напряжением при входном коде, соответствующем нулевому значению. Эта погрешность является аддитивной и соответствует сдвигу идеальной характеристики на величину (линия 3, на рисунке 24.3).

. (24.5)

Погрешность полной шкалы относительная разность между реальным и идеальным значением предела шкалы преобразования при отсутствии напряжения смещения нуля. Эта погрешность является мультипликативной и объясняется изменением угла наклона характеристики преобразования (линия 4, на рисунке 24.3)

. (24.6)

Температурная нестабильность АЦП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры АЦП

Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.

Максимальная частота преобразования – это наибольшая частота, при которой параметры АЦП не выходят за заданные пределы.

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

Апертурное время – это время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением кода и временем, к которому оно относится. Апертурное время в первом приближении можно считать временем преобразования.