Краткое описание назначения и основных характеристик аналого-цифровых преобразователей

Первичная информация о различных физических величинах и процессах носит, как правило, аналоговый характер. Для обработки этой информации в ЭВМ необходимо предварительно преобразовать ее в цифровую форму. Эту задачу выполняет аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП входят в состав многих информационно-измерительных устройств и комплексов.

Аналого–цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровой код. В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д. Процесс аналого–цифрового преобразования состоит из следующих действий:

- выборка аналогового сигнала в некоторый момент времени, т.е. дискретизация аналогового сигнала с заданным шагом по времени,

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

- кодирование, т.е. сопоставление квантованному аналоговому сигналу некоторого цифрового кода.

Рис. 1. Принцип аналого-цифрового преобразования

Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене бесконечного множества ее значений на некоторое конечное множество значений U^*_п(t), называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь диапазон изменения функции D=U(t)_max-U(t)_min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования U^*_п(t).

Величина h=D/N носит название шага квантования. В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция заменяется дискретной функцией U^*_п(t).

В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением

,

где U(t)_i – значение функции U(t) в i –м шаге; h - шаг квантования; - погрешность преобразования на i –м шаге.

Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности ε_i, значение которой определяется неравенством

Погрешность зависит от разрядности.

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.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся:

· АЦП параллельного преобразования;

· АЦП поразрядного взвешивания (последовательного приближения);

· следящие АЦП;

· интегрирующие АЦП.