Параметры АЦППараметры АЦП
При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 24), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.
Статические параметры
Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.
Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП Uвх при изменении Dj на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.
Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.
Эта погрешность является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.
Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно определяется по формуле
где Uвх.01 - значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из О в 1. Часто указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:
Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП могут быть уменьшены либо подстройкой аналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.
Погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простыми средствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.
Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной (линия 2 на рис. 24). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рис. 25
Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы. Для характеристики, приведенной на рис. 25,
Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1 приведен на рис. 25. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП - максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.
Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала. Монотонность не гарантирует малых значений дифференциальной нелинейности и непропадания кодов.
Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.
Динамические параметры
Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.
Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.
Время преобразования (tпр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.
Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.
Шумы АЦП
В идеале, повторяющиеся преобразования фиксированного постоянного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако, вследствие неизбежного шума в схемах АЦП, существует некоторый диапазон выходных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП постоянный сигнал и записать большое число преобразований, то в результате получится некоторое распределение кодов. Если подогнать Гауссовское распределение к полученной гистограмме, то стандартное отклонение будет примерно эквивалентно среднеквадратическому значению входного шума АЦП. В качестве примера на рис. 26 приведена гистограмма результатов 5000 преобразований постоянного входного сигнала, выполненных 16-разрядным двухтактным последовательно-параллельным АЦП АD7884.
Входное напряжение из диапазона + 5 В было установлено по возможности ближе к центру кода. Как видно из гистограммы, все результаты преобразований распределены на шесть кодов. Среднеквадратическое значение шума, соответствующее этой гистограмме, равно 120 мкВ.
В табл. 3 приведены важнейшие характеристики некоторых типов аналого-цифровых преобразователей и систем сбора данных.
Наимено- вание |
Разряд- ность бит |
Число каналов |
Внутрен- ний УВХ |
Время преобр., мкс (част. пребр., МПс) |
Интер- фейс |
Внутрен- ний ИОН |
Напряж. питания, В |
Мощ- ность потр. мВт |
Примечание |
АЦП широкого применения |
|||||||||
572ПВ1 |
12 |
1 |
Нет |
110 |
Парал. |
Нет |
+/-5:15 |
120 |
Требуются внешние ОУ |
1108ПВ2 |
12 |
1 |
Нет |
2 |
Парал. |
Есть |
5 ,-6 |
1300 |
Последовательного приближения (ПП) |
МАХ114 |
8 |
4 |
Есть |
0,66 |
Парал. |
Нет |
+/-5 |
40 |
Двухступенчатый. Дежур. режим - 5 мкВт |
AD7893 |
12 |
1 |
Есть |
6 |
Посл. |
Нет |
+/-5 |
30 |
8-выводной корпус. ПП |
AD7882 |
16 |
1 |
Есть |
2,5 |
Парал. |
Есть |
+/- 5 |
200 |
Автокалибровка, дежур. режим - 1 мВт |
МАХ186 |
12 |
8 |
Есть |
7,5 |
Посл. |
Есть |
5, +/- 5 |
7,5 |
ПП. Дежур. режим - 10 мкВт |
Микромощные АЦП |
|||||||||
572ПВ3 |
8 |
1 |
Нет |
7,5 |
Парал. |
Нет |
5 |
20 |
|
МАХ1110 |
8 |
8 |
Есть |
16 |
Посл. |
Есть |
2,7:5 |
0,7 |
ПП. Дежур. режим - 5 мкВт |
AD7888 |
12 |
8 |
Есть |
5 |
Посл. |
Есть |
2,7:5 |
2 |
ПП. Дежур. режим - 3 мкВт |
МАХ195 |
16 |
1 |
Есть |
9,4 |
Посл. |
Нет |
+/- 5 |
80 |
Автокалибровка, дежур. режим - 0,1 мВт |
Быстродействующие АЦП |
|||||||||
| 1107ПВ4 | 8 |
1 |
Нет |
0,03 (100) |
Парал. |
Нет |
+/-5, -5,2 |
3500 |
Параллельный |
| AD9054 | 8 |
1 |
Есть |
(200) |
Парал. |
Есть |
5 |
500 |
Параллельный, ТТЛ уровни выхода |
| МАХ104 | 8 |
1 |
Есть |
(1000) |
Парал. |
Нет |
+/- 5 |
3500 |
Параллельный, ЭСЛ уровни выхода |
| AD9070 | 10 |
1 |
Есть |
(100) |
Парал. |
Есть |
-5 |
700 |
Двухступенчатый, ЭСЛ уровни выхода |
| АD9224 | 12 |
1 |
Есть |
(40) |
Парал. |
Есть |
5 |
390 |
Четырехступенчатый |
| AD9240 | 14 | 1 | Есть | (10) | Парал. | Есть | 5 | 280 | Четырехступенчатый. ТТЛ, КМОП уровни выхода |
Интегрирующие АЦП |
|||||||||
| 572ПВ5 | 3,510 |
1 |
- |
12 пр/с |
Парал. |
Есть |
9 |
15 |
Управление семисегментными ЖКИ |
| МАХ132 | 18 |
1 |
- |
100 пр/с |
Посл. |
Нет |
5 |
0,6 |
Многотактного интегрирования |
| AD7715 | 16 |
1 |
- |
20...500 пр/с |
Посл. |
Нет |
3 или 5 |
3 |
Сигма-дельта, автокалибровка. Усилитель с программируемым усилением. Нелин. не более 0,0015% |
| AD7714 | 24 |
3 |
- |
10...1000 пр/с |
Посл. |
Нет |
3 или 5 |
2 |
Сигма-дельта, автокалибровка. Усилитель с программируемым усилением. Нелин. не более 0,0015% |
| AD7722 | 16 |
1 |
Нет |
(0,22) |
Посл. |
Есть |
5 |
375 |
Сигма-дельта, автокалибровка, скоростной |
| LTC2400 | 24 | 1 | - | - | Посл. | Нет | 2,7...5,5 | 1 | Сигма-дельта в 8-выв. корпусе. Нелинейность не более 0,0004%. 8-канальн. вариант - LTC2408 |
AD1555 |
24 | 1 | Нет | (0,256) | Посл. | Нет | +/-5 | 90 | Сигма-дельта модулятор 4-го порядка. Динамический диапазон 121 дБ. Цифровой фильтр для него - AD1556 |
| ADS1211 | 24 | 4 | - | 1000 пр/с | Посл | Нет | +/-5 | 45 | Сигма-дельта, автокалибровка. Усилитель с программируемым усилением |
Системы сбора данных |
|||||||||
572ПВ4 |
8 |
8 |
Нет |
25 |
Парал. |
Нет |
5 |
15 |
FIFO 8х8 бит |
AD1B60 |
16 |
7 |
- |
5:100 пр/с |
Посл. |
Есть |
+/- 5 |
300 |
ПНЧ с микропроцессором, ЭСППЗУ команд |
LM12458 |
13 |
8 |
Есть |
(0,09) |
Парал. |
Есть |
5 |
30 |
FIFO 32х16 бит, автокалибровка |
| AD7865 | 14 |
4 дифф. | 4 | 2,4 | Парал. | Есть | 5 | 115 | Преобразователи уровня в каждом канале. |
Вернуться к списку статей по элетронике
| Ваш комментарий к статье | ||||
