Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналогово-цифровыепреобразователи (АЦП)АЦП (Рис.1) используютсядляпреобразованиявцифровуюформуаналоговых (непрерывных) сигналов. Изменениеаналоговогосигналаслучается тольковопределенныемоментывремени, называющиесяточкамиотсчета. Количество отсчетов за единицу времени характеризует частоту дискретизации (преобразования), которая определяется условиями использования АЦПи быстродействием.Рисунок 5 Аналогово-цифровой преобразовательКлассификация АЦП:АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП);АЦП последовательного приближения;АЦП последовательного счета; Последовательно -параллельные АЦП;Интегрирующие АЦП; Сигма -дельта АЦП [2].Применение в АЦП в разных областях частот дискретизации. (Рис.6) Рисунок 6 АЦП в разных областях частот дискретизацииПараллельные АЦПВ параллельных АЦП (Рис.7) применяетсяблок компараторов, где каждый сравнивает входное напряжение с индивидуальным опорным напряжением.Рисунок 7 Схема параллельного АЦПВстроенный прецизионный резистивный делитель формируетопорное напряжение для каждого компаратора. Величины опорных напряжений начинаются со значения для МЗР и повышаются при переходе к следующему компаратору с шагом, равным Uоп/. 3-х разрядный АЦП имеет -1 или семь компараторов. Для 8-разрядного параллельного АЦП необходимы уже 255 (или (-1)) компараторов.Пример. Uоп/2 < Uвх < 5Uоп/8, тогда Uвхнаходится в отрезке между Uоп/2 и 5Uоп/8, следовательно, 4 нижних компаратора (младшие разряды) имеют на выходе "1", а верхние три компаратора (старшие разряды) - "0". Шифратор (приоритетный) преобразует 7 - разрядное цифровое слово с выходов компараторов в двоичный код ().Область применения параллельных АЦП – высокоскоростные устройства.Многие высокоскоростные осциллографы и некоторые высокочастотные измерительные приборы имеют в своем составе параллельные АЦП благодаря их высокой скорости преобразования, в определенных случаях достигающая 5Г (5*) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных решений.Обычные параллельные АЦП определяются разрешением до 8 разрядов, но можно встретить и 10-ти разрядные версии. Недостаток таких АЦП:за счет необходимости использования большого количества компараторов параллельные АЦП определяются значительными мощностями потребления, и отсутствует ецелесообразностьих применения в приложениях с батарейным питанием[4].АЦП последовательного приближенияОсновой АЦП последовательного приближения (Рис. 8)является специальный регистр - регистр последовательного приближения. В начальный момент цикла преобразования все выходы данного регистра должны определяться логическим “0”, кроме старшего разряда. Таким образом,на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)формируется сигнал, величина которого равнаодной второй входного диапазона АЦП. При этом выход компаратора характеризуется состоянием, которое определяетвеличину разницы между сигналом на выходе ЦАП и исходным измеряемым входным напряжением. Данное состояние записывается в старший разряд n. Потом в следующий разряд (n-1) принудительно записывается «1». Далеена выходе внутреннего ЦАПформируется напряжение Uвых, величина которого равна либо ¼ , либо ¾ входного диапазона АЦП. В итоге напряжение Uвых ЦАП сравнивается с Uвх, результат записывается в (n-1) разряд. И так далее.Рисунок 8 Структурная схема АЦП последовательного приближенияПример. Принципиальная схема возможной реализации АЦП последовательного приближения с использованием ЦАП и регистра последовательного приближения.Осуществить преобразование входного напряжения 8.55В в восьмиразрядный двоичный код. Uоп = 10В.Характеристики АЦП:Статические параметрыРазрешающая способность (иными словами разрешение) – это параметр, равный обратному максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность определяется в разрядах,процентах или децибелах. Данный параметр подчеркивает потенциальные возможности АЦП по достижимой точности. Например, для идеального 12-разрядного АЦП характерна разрешающую способность 1/4096, или 0.0244% от полной шкалы.Погрешность квантования – это величина погрешности, которая определяется значением шага квантования и выражается как ½ МЗР. Она не может быть не учтена в аналого- цифровых преобразованиях, посколькувыступает неотъемлемой частью процесса преобразования, характиризуется разрешающей способностью АЦП и постоянна при переходе от АЦП к АЦП с учетом постоянства разрешения.Погрешность полной шкалы – это величина, которая характеризует при отсутствии смещения нуляразность реального и идеального значений предела шкалы преобразования.Погрешность смещения нуля – это величинаUвх, при выходном коде АЦП равном нулю. Обычно выражается как -Uкв/2Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования N(Uвх) от оптимальной. Оптимальная характеристика находится, как и для ЦАП, эмпирически путем таким образом, чтобы минимизировалось значение погрешности нелинейности.Монотонность характеристики преобразования – это показатель неизменности знака приращения выходного кода N в случае, когдавходной преобразуемый сигналмонотонно изменяется. Монотонностью не гарантируется малые значения дифференциальной нелинейности и отсутствие пропущенных кодов. Температурная нестабильность АЦП – это температурный коэффициент погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.Динамические параметры Наибольшаячастота дискретизации (преобразования) – это максимальнаячастота формирования выборочных значений сигнала, когда выбранный параметр АЦП находится тольков заданных пределах. Определяется числом выборок в секунду (SPS – SamplesPerSecond). Например, выбранным параметром может оказатьсянелинейностьилимонотонность характеристики преобразования. Время преобразования – это время, которое отсчитывается от начала импульса дискретизации или начала преобразования до момента появления на выходе устойчивого кода, который будет соответствовать данной выборке. Время выборки (стробирования) – время, когда происходит образование одного выборочного значения.Основные параметры широко используемых отечественных АЦП (Рис.9):Рисунок 9 Основные параметры отечественных АЦПаааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааалллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллвввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррраааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааалллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллвввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррраааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааалллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллвввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррраааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааалллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллвввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррраааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааалллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллвввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррраааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааалллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввввврррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррЗАКЛЮЧЕНИЕИногда складывается впечатление, что цифровой мир практически полностью сливается с реальным миром. Но, несмотря на появление таких систем как «gigaFLOPS», «22 nm» и многих других, реальный мир упорно остается аналоговым и никак не цифровым. А мы по-прежнему должны работать с нашими цифровыми системами, которые в современном мире присутствуют практически везде.Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП преобразовывает входной цифровой сигнал в аналоговый выходной. Понятие «точность» может варьироваться (в зависимости от производителя), но мы опишем цифро-аналоговые преобразователи с разрешением от 8 до 16 бит и скоростью до 10 Мвыборок/с. Данные цифро-аналоговые преобразователи ЦАП используются в различных системах – аудио- и видео аппаратуре, управление процессором, измерительные приборы, системы автоматизации, системы электропривода и многих других. У каждой отдельной системы существуют индивидуальные требования к ЦАП, например:разрешение, статические характеристики,динамические характеристики, потребляемая мощность и другие.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫВалах В.В., Григорьев В.Ф., Быстродействующие АЦП для измерения формы случайных сигналов М.: Приборы и техника эксперемента. 1987. №4 с.86-90.Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 360 с.Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энерготомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 304 с.Марцинкявючес М., Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров: Радио и связь. 1988 –224с.Федерков Б.Г., Телец В.А., Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоиздат, 1990. –320с.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд., испр. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989. - 352 с.