Обобщенная структура аналого-цифрового преобразователя

Существует ряд типовых узлов составляющих цифровые преобразователи, действующих по различным методам. Для автоматических преобразователей работающих по методам поразмерного уравновешивания и последовательного счета можно представить одной обобщенной структурной схемой, причем она справедлива для преобразования не, только напряжения, но и некоторых других аналог величин.

Обобщенная структурная схема аналого-цифрового преобразователя работающего по методу поразмерного уравновешивания и последовательного счета

Эта схема содержит преобразователь цифрового сигнала в аналоговый сигнал (Ц-А), сравнивающее устройство (СУ) и узел управления (УУ). Если рассматривать эту схему применительно к цифровому преобразователю напряжения, то Ц-А есть источник калиброванных напряжений. Этот источник выдает то или иное напряжение в зависимости от того какой номер уровня М выбран. Ходом для него служит команда, задаваемая в цифровой форме в виде кодовой комбинации уровня М, выходом напряжения соответствующего уровня М∆х. Следовательно, этот узел осуществляет обратное преобразование кода в аналоговую величину. Функции УУ сводятся к тому чтобы подавать на вход узла Ц-А кодовые комбинации чисел М в том порядке, в каком этого требует логика преобразователя. Работа УУ зависет от сигналов получаемых с выхода СУ. При кодировании по методу последовательного счета сигнал СУ служит командой для прекращения набора чисел М на входе узла Ц-А после достижения компенсаций.

При кодировании по методу поразрядного уравновешивания сигналы сравнивающего устройства сигналы сравниваются при каждом шаге уравновешивания: в зависимости от них в составе набираемой кодовой комбинации числа М остается или исключается очередной разряд. Кодовый выход узла управления (УУ) служит и выходом всего преобразователя, но снять выходной сигнал можно после окончательного уравновешивания, если оно ведется по методу последовательно счета. При работе по методу поразрядного уравновешивания снимать выходной сигнал можно в процессе работы, но постепенно, начиная со старшего разряда (разряда с наибольшим весом).

СУ определяет знак разности двух аналоговых величин: непрерывной измеряемой Х и дискретно образцовой М∆х. Применительно к сравнению напряжений такое устройство называют нуркорганом.

Основные характеристики устройства аналого-цифрового преобразователя.

1. Разрядность nвыходного для АЦП и входного для ЦАП - число разрядов для отображения А-Ц величины. Эта характеристика определяет число квантованных уровней. Mmax=2ⁿ.

2. Диапазон входного и выходного напряжения АЦП ил ЦАП – полный диапазон входного (выходного) напряжения которое преобразователь в состоянии отобразить принятом выходным (входным) кодом, выражается в единицах Вольт. Диапазон данного напряжения может быть однополярным и биполярным, в зависимости преобразователя.

3. Разрешающая способность (чувствительность) минимального изменении входного сигнала АЦП, которое изменяет цифровой код на единицу. Эта характеристика определяется величиной кванта У и называется величиной младшего разряда. Из-за наличия неопределенностей (погрешности) + Q\2 обычно принимается, что изменение цифрового кода на единицу происходит в средней точке данного квантованного уровня. Аналогично для ЦАП разрешающая способность - это минимальное изменение выходного аналогового сигнала обусловленного изменением цифрового кода на единицу.

4. Напряжение смещения нуля – напряжение на входе АЦП, при котором на выходе устанавливается нулевой код. Величина U смешения нуля определяется сдвигом U реальной от U идеальной передаточной характеристик. Соответственно для ЦАП напряжение смещения нуля - это величина выходного напряжения при нулевом входном коде. Напряжение смешения нуля характеризует аддитивную погрешность преобразования. Часто напряжение смещения нуля выражает единицы величины младшего разряда.

5. Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалыδUc – это отклонение реального максимального входного напряжения для АЦП или выходного для ЦАП от идеального значения, определенного технической документации преобразователя. Данная величина определяет угол наклона реальной передаточной характеристики и мультипликативную погрешность преобразователя, также как и напряжение смешения нуля, она часто выражается единицей младшего разряда.

6. Интегральная нелинейностьδUL - максимально возможное отклонение реальной передаточной характеристики АЦП (ЦАП) от заданной идеальной, при нулевом значении напряжения смешения нуля и абсолютной погрешности в конечной точке. Выражается в единицах величин младшего разряда или в % по отношению к максимальному входному (выходному) напряжению преобразователя.

7. Дифференциальная нелинейность δUдиф - максимальное отклонение величины одного квантованного значения АЦП (ЦАП) от идеального аналогового значении Q. Выражается в единицах величины младшего разряда или в % по отношению к максимальному входному (выходному) напряжению. Если дифференциальная нелинейность превышает одну единицу младшего разряда (мзр), то в выходном коде могут выпадать одно или несколько кодовых комбинаций (Х выпавшие). Аналогично, если дифференциальная нелинейность (ЦАП) превышает одну величину младшего разряда, в выходном напряжении один или несколько кантованных уровней.

8. Время преобразования tс – для АЦП временной интервал с момента подачи управления и до момента получения на выходе адекватного сигнала. Изменении входного аналогового сигнала в момент времени tc нежелательно, т.к. это изменение внесет неопределенность в генерируемый выходной код. Для ЦАП аналогичный параметр времени установления ts выходного аналогового сигнала. Очевидно, что входной цифровой код должен оставаться неизменным.

9. максимальная частота преобразования fcmax – максимальное значение числа отсчетов входного сигнала выполняемая преобразователем в единицу времени, при сохранении полной точности, т.е. в соответствии значениям параметров с заданными нормами. Если входной аналоговый сигнал АЦП можно представить в виде конечной суммы гармонических составляющих, т.е. конечным частотным спектром. , то выбор sf определяется теоремой Котельникова. Согласно этой теореме частоту преобразования АЦП следует выбирать большей или удвоенной частоте fk максимальной гармоники входного аналогового сигнала. fc≥2fk, где fk=ωk\2π.