Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)

Служат для преобразования измерительного сигнала из аналоговой формы в цифровую, т.е. в дискретный, как правило, двоичный код.

Основными характеристиками АЦП являются:

· разрешающая способность;

· точность;

· быстродействие.

Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения (полная шкала).

Разрешение (разрядность) АЦП соответствует количеству дискретных значений, которые можно получить на его выходе и выражается в битах.

8-разрядный АЦП может выдать 256 дискретных значений ( 2⁸ ), т.е. имеет 256 уровней квантования входного сигнала. 12-разрядный АЦП соответственно обеспечит 4096, т.е. 2¹² уровней квантования входного сигнала (дискретных значений на его выходе).

Чтобы определить разрешающую способность АЦП по напряжению, надо диапазон его входного сигнала, нижняя и верхняя границы которого соответствуют минимальному и максимальному входному коду, разделить на число уровней квантования, т.е. на число возможных дискретных значений на выходе АЦП.

Например, 10-разрядный АЦП, имеющий входной диапазон 0…2,5 В, будет обладать разрешением по напряжению, равным

2,5 : 2¹⁰ = 2,5 : 1024 = 2,4 мВ.

12-разрядный АЦП, рассчитанный на входное напряжение в диапазоне -2,5…0…2,5 В, будет обладать разрешением по напряжению, равным

5 : 2¹² = 5 : 4096 = 1,2 мВ.

Необходимо учитывать, что реальная разрешающая способность АЦП может быть ограничена шумами, присутствующими во входном сигнале, а также генерируемыми в самом АЦП.

Точность АЦП определяется различного рода погрешностями, например, нелинейностью, ошибками квантования и др.

Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования, т.е. интервалом времени от момента изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода.

Непрерывный во времени аналоговый сигнал преобразуется в последовательность цифровых значений. При этом преобразование входного сигнала в код осуществляется с частотой, которая называется частотой дискретизации АЦП. Это означает, что значения сигнала измеряются через определенный интервал времени T — период дискретизации. Чем меньше Т, тем выше быстродействие АЦП.

Исходный сигнал может быть восстановлен из дискретных значений путём интерполяции, при этом точность восстановления ограничена ошибкой квантования. В соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление исходного сигнала возможно в случае, если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения — УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.