Аналого - цифрові перетворювачі

АЦП з паралельним інтерфейсом вихідних даних

У найпростіших випадках інтерфейс здійснюється за допомогою N-розрядного регістру збереження, що має три стану виходу. На рис. 18 показана функціональна схема такого АЦП та часові діаграми роботи інтерфейсу.

На зростаючому вході сигналу „Пуск” ПВЗ перетворювача переходить у режим та починається процес перетворення. Коли перетворення закінчується, на вихідну лінію „Готовий” виводиться імпульс, що показує на те, що у вихідному регістрі АЦП знаходиться новий результат. Сигнали CS (вибір кристалу) та RD (читання) керують виводом даних для передачі приймачу.

АЦП з послідовним інтерфейсом вихідних даних

В АЦП послідовного наближення вихідна величина може бути зчитана у вигляді послідовного коду прямо з регістру. На рис. 19 показана функціональна схема такого інтерфейсу (а) та часові діаграми його роботи (б).

 

Рис. 18. а) функціональна схема паралельного інтерфейсу; б) часові діаграми роботи.

 

Рис. 19. а) функціональна схема послідовного інтерфейсу; б) часові діаграми його роботи.

 

Це схема SPI-інтерфейсу. Процесор є ведучим (master). Він ініціює початок процесу перетворення початком імпульсу „Пуск”. З тактового виходу процесора на вхід CLK АЦП поступає послідовність тактових імпульсів. Починаючи з другого такту після пуску на виході даних АЦП формується послідовний код вихідного слова старшими бітами наперед. Цей сигнал поступає на MISO (master – input (вхід), slave – output (вихід).

 

 

При послідовному зростанні значень вхідного аналогового сигналу Uвх (t) від 0 до величини, що відповідає повній шкалі АЦП Uпш вихідний цифровий сигнал D (t) створює ступеневу кусочно-постійну лінію. Таку залежність називають характеристикою перетворення АЦП. На рис. 20 показана статична характеристика перетворення АЦП.

  

Рис. 20. Статична характеристика перетворення АЦП

 

У відсутності апаратних погрішностей середні точки ступенів розташовані на ідеальній прямій 1, якій відповідає ідеальна характеристика перетворення. Реальна характеристика може суттєво відрізнятись від ідеальної розмірами та формою ступенів, а також Ії розміщенням на площині координат. Для кількісного опису цих відмінностей є цілий ряд параметрів.

Статичні параметри

Роздільна здатність – величина, що є зворотною максимальній кількості кодових комбінацій на виході АЦП. Вона виражається у процентах, розрядах або децибелах і характеризує потенційні можливості АЦП з точки зору точності. Наприклад, 12-розрядний АЦП має роздільну здатність 1/4096 або 0, 0245% від повної шкали.

Роздільній здатності відповідає приріст вхідної напруги АЦП Uвх при зміні Dj на одиницю молодшого розряду. Цей приріст є шагом квантування (ОМР). Чим більша розрядність перетворювача, тим вища його роздільна здатність.

Погрішність повної шкали – відносна різниця між реальним та ідеальним значеннями межі шкали перетворення при відсутності зміщення нуля.

ПШ = ПШ100% /Uпш.

Ця погрішність є мультиплікативною складовою повної погрішності.

Погрішність зміщення нуля – значення Uвх, коли вхідний код ЦАП дорівнює нулю. Є адитивною складовою повної погрішності. Звичайно визначається по формулі

СМ = Uвх01 – h/2,

де Uвх01 – значення вхідної напруги, при якому відбувається перехід вихідного коду з 0 до 1. Часто визначається в мілівольтах або процентах від повної шкали

СМ = СМ100% /Uпш.

Погрішність повної шкали та зміщення нуля можуть бути зменшені або настроюванням аналогової частини схеми, або корекцією обчислювального алгоритму цифрової частини пристрою.

Погрішністі лінійності характеристики перетворення не можуть бути усунені такими простими засобами. тому вони є найважливішими метрологічними характеристиками АЦП.

Нелінійність – максимальне відхилення реальної характеристики перетворенняD (Uвх) від оптимальної (лінія 2 на рис. 20). Оптимальна характеристика знаходиться емпірично так, щоб мінімізувати значення погрішності нелінійності. Нелінійність звичайно визначається у відносних одиницях, але у довідникових даних наводиться також у ОМР. Для характеристики, наведеної на рис. 21

Л = j100% /Uпш.

 

Рис. 21. Визначення нелінійності

 

Диференційною нелінійністю АЦП в даній точці характеристики перетворення називається різниця між значенням кванту перетворення hk і середнім значенням кванту перетворення h. У специфікаціях на конкретні АЦП значення диференційної нелінійності наводяться у долях ОМР або процентах від повної шкали. Для характеристики, наведеної на рис. 21:

Л = (hk – h) 100% /Uпш.

Погрішність диференційної нелінійності визначає дві важливих властивості АЦП: відсутність зникання кодів та монотонність характеристики перетворення. Відсутність зникання кодів – властивість АЦП видавати усі можливі вихідні коди при зміні вхідної напруги від початкової до кінцевої точок діапазону перетворення. Приклад зникання коду j+1 показаний на рис. 21.

Монотонність характеристики перетворення – незмінюваність знаку приросту вихідного коду D при монотонній зміні вхідного перетворюваного сигналу. Монотонність не гарантує малих значень диференційної нелінійності та відсутності зникнення кодів.

Температурна нестабільність АЦП характеризується температурними коефіцієнтами погрішності повної шкали та погрішності зміщення нуля.

Динамічні параметри

Максимальна частота дискретизації (перетворення) – найбільша частота, з якою відбувається формування вибіркових значень сигналу, при яких вибраний параметр АЦП не виходить за задані границі. Вимірюється як число вибірок за секунду.

Час перетворення (tпр) – час від початку імпульсу дискретизації або початку перетворення до появи на виході АЦП сталого коду, що відповідає даній виборці.

Час вибірки (стробування) -час, за який відбувається виникнення одного вибіркового значення.

Шуми АЦП

В ідеальному випадку перетворення постійного вхідного сигналу повинні давати один і той же цифровий код. Однак, внаслідок неминучого шуму у схемах АЦП існує діапазон вихідних кодів для заданої напруги на вході. якщо подати на вхід АЦП постійний сигнал та записати велику кількість перетворень, то одержимо деякий розподіл кодів. Наприклад, на рис. 22 наведена гістограма результатів 5000 перетворень постійного вихідного сигналу, що виконана 16-розрядним АЦП AD7884.

 

Рис. 22. Гістограма результатів перетворень постійного вхідного сигналу