13. АЦП И ЦАП
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП, DAC – «Digital-to-Analog Converter») и аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ADC – «Analog-to-Digital Converter») главным образом применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами.
При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП преобразует выходные цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы.
ЦАП и АЦП применяются в измерительной технике (цифровые осциллографы, вольтметры, генераторы сигналов и т.д.), в бытовой аппаратуре (телевизоры, музыкальные центры, автомобильная электроника и т.д.), в компьютерной технике (ввод и вывод звука в компьютерах, видеомониторы, принтеры и т.д.), в медицинской технике, в радиолокационных устройствах, в телефонии и во многих других областях.
Применение ЦАП и АЦП постоянно расширяется по мере перехода от аналоговых к цифровым устройствам.
В качестве ЦАП и АЦП обычно применяются специализированные микросхемы, выпускаемые многими отечественными и зарубежными фирмами.
Микросхемы ЦАП и АЦП относятся к аналого-цифровым, поэтому они требуют также знания аналоговой схемотехники, существенно отличающейся от цифровой. Практическое применение ЦАП и АЦП требует расчета аналоговых цепей, учета многочисленных погрешностей преобразования (как статических, так и динамических), знания характеристик и особенностей аналоговых микросхем (в первую очередь, операционных усилителей) и многого другого, что далеко выходит за рамки этой книги.
13.1 Принцип работы ацп
Аналого-цифровое преобразование по существу является операцией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал Vi преобразуется в дробь Х путем сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала Vr.
Цифровой сигнал преобразователя есть кодовое представление этой дроби. Это фундаментальное соотношение представлено на Рис.13.1 (а).
|
|
(а) |
(б) |
Рис. 13.1. Аналго-цифровой преобразователь (а). Взаимосвязь сигналов (б). Передаточная характеристика идеального 3-разрядного АЦП. |
|
Этот квант называют также величиной младшего значения разряда (МРЗ). Таким образом,
Q = МЗР =ПД/2n,
где Q – квант, МЗР – аналоговый эквивалент МЗР и ПД – полный диапазон изменения входного аналогового сигнала.
Если входной код преобразователя является n-разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2n. Для взаимно однозначного соответствия диапазон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней.
Каждый квант (величина интервала) такого разбиения представляет собой значение аналговой величины, на которое отдичаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями.
Все аналоговые величины внутри заданного интервала разбиения представляются одним и тем же цифровым кодом, которому обычно ставят в соответствие значение аналоговой переменной в средней точке интервала, называемого пороговым уровнем.
Тот факт, что входной сигнал может отличаться от порогового уровня на величину, достигающую ± ½ МЗР, не отличаясь при этомпо кодовому представлению, означает, что любому процессу аналого-цифрового преобразования присуща неопределенность (погрешность) дискретизации, равная ± ½ МЗР.
Ее влияние можно только уменьшить, увеличивая число разрядов в выходном коде преобразователя.
На Рис.13.1 (б) показана взаимосвязь входных и выходных сигналовдля идеального 3-разрядного АЦП.
Величина МЗР равна 1/8 ПД, а диапазон изменения входного сигшнала разбит на 8 отдельных уровней, от 0 до 7/8 ПД.
С учетом того, что одна из кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню входного сигнала, максимальный выходной сигнал АЦП всегда соответствует величине полного диапазона минус 1 МЗР.
13.1.1. Погрешности преобразователя
Характеристики реальных преобразователей могут отличаться по ряду параметров от идеальных характеристик (аналогичных приведенной на Рис.13.1.б).
Передаточная характеристика может быть сдвинута относительно идеальной характеристики (Рис.13.2.а). Это погрешность «смещения» или «установки нуля» определяется как значение аналоговой величины, при которой характеристика пересекает ось входных напряжений.
Наклон передаточной характеристики может отличаться от своего идеального значения, что приводит к погрешности «наклона» или «усиления» (Рис.13.2.б).
Погрешности смещения и усиления для большинства АЦП малы или могут быть устранены с помощью предварительных регулировок. Труднее устранить погрешности связанные с неоинейностью передаточной характеристики, которые невозможно уменьшить с помощью регулировок.
В АЦП проявляются два типа нелинейности – интегральныя и дифференциальная.
Интегральная нелинейность определяется максмальным отклоенением передаточной характеристики от идеальной прямолинейной характеристики при нулевых значениях погрешносей смещения и усиления (Рис.13.1.в).
Дифференциальная нелинейность – это отклонение величины одного из квантов от его идеального аналогового значения. Если дифференциальная нелиненйгность превышает 1 МЗР, то в выходном сигнале может отсутствовать одна из кодовых комбинаций (выпадающий код), как показано на Рис.13.2.г.
|
|
(а) Погрешность смещения |
(б) Погрешность усиления |
|
|
(в) Интегральная нелинейность |
(г) Дифференциальная нелинейность |
Рис. 13.2. Погрешности преобразования |
|
