Исследование характеристик аналого-цифровых преобразователей

Аналого–цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровой код. Процесс аналого–цифрового преобразования состоит из следующих действий:

- выделение аналогового сигнала в некоторый момент времени или дискретизация аналогового сигнала с заданным шагом по времени,

- квантование аналогового сигнала, т.е. округление с заданным шагом по уровню сигнала,

- сопоставление квантованному аналоговому сигналу некоторого цифрового кода.

Квантование аналогового сигнала по времени и по уровню приводит к потере информации. Так как ширина частотного спектра аналогового сигнала в технических устройствах ограничена, то можно выбрать такой малый шаг дискретизации по времени, что потери информации не будет (теорема Котельникова). Квантование сигнала по уровню всегда приводит к потере информации. Эта потеря может быть уменьшена до очень малой величины путем увеличения разрядности АЦП.

Технические характеристики АЦП разделяются на статические и динамические.

К статическим относятся:

1. Разрядность n - число двоичных разрядов кода, которые можно получить на выходе АЦП. Цифровая часть АЦП разделяет величину опорного напряжения U_оп ,I_оп на N частей, связанных с разрядностью следующей формулой

N = 2ⁿ

АЦП широкого применения обычно содержат от 8 до 16 двоичных разрядов.

2. Минимальный шаг квантования или минимальный шаг изменения входного напряжения или тока ΔI_вх, ΔU_вх, при котором выходной код изменяется на единицу. Минимальный шаг связан с разрядностью следующей формулой

ΔI_вх = I_оп / N, ΔU_вх= U_оп / N.

Входное квантованное напряжение U_вх или входной квантованный ток I_вх идеального АЦП определяется следующими соотношениями

I_вх = I_оп m / N, U_вх = U_оп m / N,

где: m – десятичный эквивалент двоичного кода на выходе АЦП. m = 0, 1, … N.

3. Абсолютная погрешность преобразования δU_вх , δI_вх, определяемая в конечной точке m = N равна разности входных напряжений или токов идеального и реального АЦП.

4. Нелинейность преобразования δL - максимальная разность входных напряжений или токов для идеального и реального АЦП в промежуточной точке m < N.

5. Напряжение смещения нуля – напряжение или ток на входе АЦП, которое нужно приложить для получения на выходе нулевого кода.

К динамическим характеристикам АЦП относятся:

1. Максимальная частота преобразования f_{с макс} - максимальная частота дискретизации по времени, допустимая для нормальной работы ЦАПа.

2. Время преобразования t_с– время от момента поступления сигнала на вход АЦП до момента установления цифрового кода.

Обычно характеристики АЦП связывают с минимальным шагом изменения входного напряжения ΔU_вх или тока ΔI_вх. Так, абсолютная погрешность преобразования и нелинейность преобразования обычно равна минимальному шагу или, в точных АЦП, – половине минимального шага.