Одной из важнейших характеристик аналого-цифрового преобразования сигналов является апертурное время – временной интервал, характеризующий неопределенность момента преобразования входного аналогового сигнала и вызывающий появление дополнительной (динамической) погрешности преобразования. Неопределенность выражается в том, что выходной код АЦП пропорционален не мгновенному, а усредненному за время преобразования значению входного сигнала.
Поскольку время преобразования для большинства АЦП зависит от значения входного сигнала, то в качестве апертурного времени принимается интервал, в течение которого входной сигнал изменяется на единицу младшего разряда АЦП. Это накладывает определенные ограничения на скорость изменения преобразуемого входного сигнала. Так, например, при времени преобразования 8-разрядного АЦП (n=8) T=100 мкс (время от начала преобразования до момента получения выходного кода) максимальная частота входного аналогового сигнала не должна превышать значения
F=1/(2 T·2n)=6.2 Гц
Для уменьшения апертурной погрешности используются устройства выборки и хранения (УВХ), работающие синхронно с АЦП. Основное значение УВХ – запомнить мгновенное значение входного аналогового сигнала на время преобразования. В этом случае апертурное время определяется только быстродействием УВХ и может составлять несколько наносекунд, а это означает, что частоту входного аналогового сигнала можно повысить на несколько порядков.
Один из вариантов УВХ показан на рис. 19. Оно состоит из ОУ OU1 с запоминающим конденсатором Cm в цепи отрицательной обратной связи и управляемого от источника Uy ключа К. При разомкнутом ключе УВХ находится в режиме хранения выборки аналогового сигнала, подаваемой на вход АЦП. Когда преобразование заканчивается, ключ переводится в замкнутое состояние и на конденсаторе запоминается очередная выборка аналогового сигнала. Напряжение на конденсаторе Сm до момента перехода в режим хранения полностью повторяет по форме входное напряжения, поскольку OU1 функционирует в режиме инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи R1/R2=1.Инвертирующий усилитель на OU2 выполняет роль буферного.
Рис.19. Устройство выборки и хранения
Недостатком схемы на рис.19 является увеличение апертурного времени из-за конечного времени заряда конденсатора через резистор R1 (для серийной ИС УВХ типа К1100СК2 это время составляет 100 нс). Однако этот недостаток имеет и положительные свойства. Достоинством этой схемы является возможность повышения помехозащищенности АЦП, если соответствующим образом выбрать частоту квантования (частоту источника) и использовать алгоритмы цифровой фильтрации сигналов при дальнейшей обработке выборок в управляющей микро-ЭВМ.
Простейший алгоритм такой фильтрации рассмотрим на примере уменьшения влияния напряжения помехи сетевой частоты (50 Гц) и ее гармоник.
Предположим, что полезный сигнал – постоянное напряжение Es, на которое наложена такая помеха. Непрерывный сигнал в этом случае можно представить как
E0=Es+E1sin( T)+E2sin(2 T)+E3sin(3 T)+...
Если отсчет напряжения берется в момент времени T1, то мгновенное значение напряжения, воспринимаемое ЭВМ, будет равно
E01=Es+E1sin( T1)+E2sin(2 T1)+E3sin(3 T1)+...
Если второй отсчет берется в момент времени T2=T1+ / (слагаемое / равно половине периода сетевой помехи и является известной величиной), то напряжение второй выборки равно
Как видно из сравнения E01 и E02, выборки нечетных гармоник помехи находятся в противофазе. Если полученные отсчеты сложить и разделить на два, то результирующий сигнал
Ep=Es+E2sin( T1)+...
Таким образом, результирующий сигнал состоит из собственно полезного сигнала Es и четных гармоник помехи. Основная и все нечетные гармоники помехи оказываются полностью подавленными. Если далее использовать дополнительную фильтрацию полезного сигнала, то в этом случае необходимо отфильтровывать лишь составляющие помехи с частотами 2 и выше.
Рассмотренный алгоритм подавления помех можно промоделировать, изменяя фазу источника опорного напряжения и сравнивая осциллограммы выходных сигналов на выходе схемы на рис.19. Более детальное моделирование можно провести, используя два УВХ (для получения двух выборок) и рассмотренный ранее суммирующий усилитель.
T·2n)=6.2 Гц
T)+E2sin(2