Принцип аналого-цифрового перетворення

Завданням АЦП є однозначне перетворення аналогової величини (як правило напруги) у пропорційний їй двійковий код.

Статична характеристика АЦП має вигляд:

АЦ-перетворення при неперервній зміні вхідного сигналу U(t) у послідовність n-розрядних чисел здійснюється у фіксовані моменти часу. Кількісний зв’язок перетворення аналог-код для довільного часуt_i

, (9)

де: - – крок квантування, тобто аналоговий еквівалент одиниці молодшого розряду коду ;

- - похибка перетворення на і-oму кроці квантування.

Отже, АЦ-перетворення складається з процесу квантування за рівнем дискретизованого у часі аналогового сигналу U(t) та подальшого його кодування. Тому важливо, щоб протягом деякого скінченного відрізка часу сигнал на вході АЦП залишався незмінним. Цю функцію виконує схема вибірки-запам’ятовування (СВЗ)

U(t) U_вх

N₂

f_д

Сигнал на вході СВЗ пропорційний сигналу на вході доти, поки від зовнішнього генератора імпульсів не надійде керуючий сигнал f_д на запам’ятовування. Після цього сигнал на виході СВЗ залишається постійним протягом деякого проміжку часу, який необхідний для перетворення U(t_i) на цифровий код N₂ в АЦП.

На відмінувідЦА-перетворення, АЦ-перетворення є більш складним процесом і характеризується наявністю як методичних, так і апаратурних похибок. Вже сам процес квантування спотворює вхідний сигнал. Згідно з теоремою Котельникова про дискретизацію, для точного відтворення генерованого сигналу в дискретний частота дискретизації f_д (частота вибірки) повинна бути хоча б удвічі більшою за максимальну частоту вхідного сигналу. Отже, частота дискретизації обмежена зверху часом перетворення, тобто швидкодією АЦП.

Проміжок часу між моментом фіксації і моментом появи цифрового еквіваленту на виході АЦП називається часом апертури.

При АЦ-перетворенні виникають як статичні, так і динамічні похибки.

Статичні похибки є результатом відхилення реальної статичної характеристики АЦП від ідеальної прямої лінії на всьому динамічному діапазоні.

Динамічні похибки – це результат невідповідності часу (періоду) дискретизації та часу перетворення при зміні вхідного сигналу.

Для зменшення динамічної (апертурної) похибки служить СВЗ, що має два стійких режими роботи – вибірки і запам’ятовування (зберігання) перетворюваної вхідної напруги. Оскільки СВЗ запам’ятовує U(t) у момент часу, який точно визначений керуючим сигналом на запам’ятовування, час апертури, отже і апертурна похибка АЦП суттєво знижується і визначається тільки часом апертури СВЗ, тобто максимальним часом від моменту подачі команди на запам’ятовування до моменту початку входження СВЗ у режим запам’ятовування.

Елементом запам’ятовування у СВЗ, як правило, є конденсатор, що під’єднаний до входу повторювача на ОП. Останній відіграє роль буфера між входом АЦП і конденсатором.

Прикладом СВЗ є мікросхема типу КР1100СК2.

Основні характеристики АЦП:

- діапазон перетворення – різниця між максимальним та мінімальним значенням вхідної напруги ;

- нелінійність – похибка, зумовлена відхиленням статичної характеристики АЦП від лінійної; диференціальна нелінійність визначає наскільки більша або менша реальна сходинка між кодами характеристики від ідеальної;

- час перетворення – інтервал часу від моменту запуску АЦП до появи вихідного коду;

- розрізняльна здатність – значення одиниці МР n-розрядного АЦП; вона визначається як відношення – число квантованих рівнів.

Отже, якщо абсолютна похибка квантування дорівнює відстані між рівнями, відносна похибка АЦ-перетворення . Наприклад, відносна похибка 10-ти розрядного АЦП . Якщо відносна похибка АЦ-перетворення задана, то за нею можна розрахувати розрядність АЦП.

Найбільш поширені способи АЦ-перетворення:

- послідовного наближення;

- паралельного кодування.

АЦП послідовного наближення

Будують на основі ЦАП і логічної схеми , яка ним керує.

Г

Запуск

N₂

U_вх

К U_ЦАП

E₀

К – компаратор на ОП

Принцип роботи полягає у послідовному порівнянні з допомогою компаратора вхідної напруги з вихідною напругою ЦАП.

Робота. У початковому стані у старший розряд регістра за допомогою схеми керування заноситься «1» і на виході N₂встановлюється код {100…0}, а на виході ЦАП – напруга . Це значення відповідає половині повної шкали АЦ-перетворення. Якщо вхідний сигнал , на першому такті перетворення у регістрі стан логічної 1 у старшому розряді (СР) зберігається; Якщо , СР регістра скидається в «0», а в стан лог. «1» встановлюється наступний молодший розряд регістра. При цьому на виході АЦП з’явиться код {010…0}, а на виході ЦАП - . Далі цей процес буде повторюватися доти, поки у МР не з’явиться лог.1. Перехідний процес встановлення напруги на виході ЦАП при фіксованій напрузі на вході АЦП.

U_ЦАП

U_вх

0 t

рис.

Отже, число порозрядних зважувань даного ЦАП визначають його розрядністю, а швидкодія роботи – частотою тактових імпульсів генератора. Більш швидкодіючим буде АЦП з меншою розрядністю і роздільною здатністю.

Переваги способу:

- відносно низька вартість;

- достатня швидкодія (5 ) при високій розділювальній здатності (до 16 біт).

АЦП паралельного кодування

АЦП паралельного кодування найбільш швидкодіючі. Висока швидкодія забезпечується за рахунок одночасного квантування сигналу U_вх за допомогою компараторів, що увімкнені паралельно джерелу вхідного сигналу. Частота перетворення визначається часом перемикання компараторів.

R

Y_n-1

R

Y_n-2

R

Y₀

R

EI

U(t)

Пріоритетний шифратор використовується як кодуючий пристрій.

За допомогою резисторного подільника опорної напругиE₀ до входів компараторів прикладаються квантовані рівні, число яких для n-розрядного АЦП становить . Напруга U_вх одночасно порівнюється з опорними рівнями і з’являється на виходах компараторів у вигляді унітарного коду. Різниця між опорними напругами двох найближчих компараторів дорівнює . Пріоритетний шифратор при цьому формує на виході n-розрядний код, що відповідає найстаршому активному компаратору, тобто перетворює унітарний код ( ) компараторів на двійковий n-розрядний код.

Недоліком схеми є значні апаратурні затрати, які пропорційні розрядності перетворювача.