Что такое ацп. Аналого-цифровые и Цифро-аналоговые преобразователи. (АЦП) и (ЦАП) Как работает аналогово цифровой

Лекция №3

«Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование».

В микропроцессорных системах роль импульсного элемента выполняет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а роль экстраполятора – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Аналого-цифровое преобразование заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код. Цифро-аналоговое преобразование призвано выполнять обратную задачу, т.е. преобразовывать число, представленное в виде цифрового кода, в эквивалентный аналоговый сигнал.

АЦП, как правило, устанавливаются в цепях обратных связей цифровых систем управления для преобразования аналоговых сигналов обратных связей в коды, воспринимаемые цифровой частью системы. Т.о. АЦП выполняют несколько функций, таких как: временная дискретизация, квантование по уровню, кодирование. Обобщенная структурная схема АЦП представлена на рис.3.1.

На вход АЦП подается сигнал в виде тока или напряжения, который в процессе преобразования квантуется по уровню. Идеальная статическая характеристика 3-разрядного АЦП приведена на рис.3.2.

Входные сигналы могут принимать любые значения в диапазоне от – U max до U max , а выходные соответствуют восьми (2 3) дискретным уровням. Величина входного напряжения, при которой происходит переход от одного зачения выходного кода АЦП к другому соседнему значению, называется напряжением межкодового перехода . Разность между двумя смежными значениями межкодовых переходов называется шагом квантования или единицей младшего значащего разряда (МЗР) .Начальной точкой характеристики преобразования называется точка, определяемая значением входного сигнала, определяемого как

(3.1),

где U 0,1 – напряжение первого межкодового перехода, U LSB – шаг квантования (LSB – Least Significant Bit ). преобразования соответствует входному напряжению, определяемому соотношением

(3.2).

Область значений входного напряжения АЦП, ограниченная значениями U 0,1 и U N-1,N называется диапазоном входного напряжения .

(3.3).

Диапазон входного напряжения и величину младшего разряда N -разрядного АЦП и ЦАП связывает соотношение

(3.4).

Напряжение

(3.5)

называется напряжением полной шкалы (FSR – Full Scale Range ). Как правило, этот параметропределяется уровнем выходного сигнала источника опорного напряжения, подключенного к АЦП. Величина шага квантования или единицы младшего разряда т.о. равна

(3.6),

а величина единицы старшего значащего разряда

(3.7).

Как видно из рис.3.2, в процессе преобразования возникает ошибка, не превышающая по величине половины величины младшего разряда U LSB /2.

Существуют различные методы аналого-цифрового преобразования, различающиеся между собой по точности и быстродействию. В большинстве случаев эти характеристики антогонистичны друг другу. В настоящее время большое распространение получили такие типы преобразователей как АЦП последовательных приближений (поразрядного уравновешивания), интегрирующие АЦП, параллельные (Flash ) АЦП, «сигма-дельта» АЦП и др.

Структурная схема АЦП последовательных приближений представлена на рис.3.3.

Основными элементами устройства являются компаратор (К), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и схема логического управления. Принцип преобразования основан на последовательном сравнении уровня входного сигнала с уровнями сигналов соответствующих различным комбинациям выходного кода и формировании результирующего кода по результатам сравнений. Очередность сравниваемых кодов удовлетворяет правилу половинного деления. В начале преобразования входной код ЦАП устанавливается в состояние, в котором все разряды кроме старшего равны 0, а старший равен 1. При этой комбинации на выходе ЦАП формируется напряжение, равное половине диапазона входного напряжения. Это напряжение сравнивается со входным напряжением на компараторе. Если входной сигнал больше сигнала, поступающего с ЦАП, то старший разряд выходного кода устанавливается в 1, в противном случае он сбрасывается в 0. На следующем такте частично сформированный таким образом код снова поступает на вход ЦАП, в нем устанавливается в единицу следующий разряд и сравнение повторяется. Процесс продолжается до сравнения младшего бита. Т.о. для формирования N -разрядного выходного кода необходимо N одинаковых элементарных тактов сравнения. Это означает, что при прочих равных условиях быстродействие такого АЦП уменьшается с ростом его разрядности. Внутренние элементы АЦП последовательных приближений (ЦАП и компаратор) должны обладать точностными показателями лучше величины половины младшего разряда АЦП.

Структурная схема параллельного (Flash ) АЦП представлена на рис.3.4.

В этом случае входное напряжение подается для сравнения на одноименные входы сразу N -1 компараторов. На противоположные входы компараторов подаются сигналы с высокоточного делителя напряжения, который подключен к источнику опорного напряжения. При этом напряжения с выходов делителя равномерно распределены вдоль всего диапазона изменения входного сигнала. Шифратор с приоритетом формирует цифровой выходной сигнал, соответствующий самому старшему компаратору с активизированным выходным сигналом. Т.о. для обеспечения N -разрядного преобразования необходимо 2 N резисторов делителя и 2 N -1 компаратор. Это один из самых быстрых способов преобразования. Однако, при большой разрядности он требует больших аппаратных затрат. Точность всех резисторов делителя и компараторов снова должна быть лучше половины величины младшего разряда.

Структурная схема АЦП двойного интегрирования представлена на рис.3.5.

Основными элементами системы являются аналоговый коммутатор, состоящий из ключей SW 1, SW 2, SW 3, интегратор И, компаратор К и счетчик С. Процесс преобразования состоит из трех фаз (рис.3.6).

На первой фазе замкнут ключ SW 1, а остальные ключи разомкнуты. Через замкнутый ключ SW 1 входное напряжение подается на интегратор, который в течение фиксированного интервала времени интегрирует входной сигнал. По истечение этого интервала времени уровень выходного сигнала интегратора пропорционален значению входного сигнала. На втором этапе преобразования ключ SW 1 размыкается, а ключ SW 2 замыкается, и на вход интегратора подается сигнал с источника опорного напряжения. Конденсатор интегратора разряжается от напряжения, накопленного в первом интервале преобразования с постоянной скоростью, пропорциональной опорному напряжению. Этот этап длится до тех пор, пока выходное напряжение интегратора не упадет до нуля, о чем свидетельствует выходной сигнал компаратора, сравнивающего сигнал интегратора с нулем. Длительность второго этапа пропорциональна входному напряжению преобразователя. В течение всего второго этапа на счетчик помтупают высокочастотные импульсы с калиброванной частотой. Т.о. по истечению второго этапа цифровые показания счетчика пропорциональны входному напряжению. С помощью данного метода можно добиться очень хорошей точности не предъявляя высоких требований к точности и стабильности компонентов. В часности, стабильность емкости интегратора может быть не высокой, поскольку циклы заряда и разряда происходят со скоростью, обратно пропорциональной емкости. Болле того, ошибки дрейфа и смещения компарптора компенсируются благодаря тому, что каждый этап преобразования начинается и заканчивается на одном и том же напряжении. Для повышения точности используется третий этап преобразования, когда на вход интегратора через ключ SW 3 подается нулевой сигнал. Поскольку на этом этапе используется тот же интегратор и компаратор, то вычитание выходного значения ошибки при нуле из результата последующего измерения позволяет компенсировать ошибки, связанные с измерениями вблизи нуля. Жесткие требования не предъявляются даже к частоте тактовых импульсов, поступающих на счетчик, т.к. фиксированный интервал времени на первом этапе преобразования формируется из тех же самых импульсов. Жесткие требования предъявляются только к току разряда, т.е. к источнику опорного напряжения. Недостатком такого способа преобразования является невысокое быстродействие.

АЦП характеризуютя рядом параметров, позволяющих реализовать выбор конкретного устройства исходя из требований, предъявляемых к системе. Все параметры АЦП можно разделить на две группы: статические и динамические. Первые определяют точностные характеристики устройства при работе с неизменяющимся либо медленно изменяющимся входным сигналом, а вторые характеризуют быстродействие устройства как сохранение точности при увеличении частоты входного сигнала.

Уровню квантования, лежащему в окрестностях нуля входного сигнала соответствуют напряжения межкодовых переходов –0.5 U LSB и 0.5 U LSB (первый имеет место только в случае биполярного входного сигнала). Однако, в реальных устройствах, напряжения данных межкодовых переходов могут отличаться от этих идеальных значений. Отклонение реальных уровней этих напряжениймежкодовых переходов от их идеальных значений называется ошибкой биполярного смещения нуля (Bipolar Zero Error ) и ошибкой униполярного смещения нуля (Zero Offset Error ) соответственно. При биполярных диапазонах преобразования обычно используют ошибку смещения нуля, а при униполярных – ошибку униполярного смещения. Эта ошибка приводит к параллельному смещению реальной характеристики преобразования относительно идеальной характеристики вдорль оси абсцисс (рис.3.7).

Отклонение уровня входного сигнала соответствующего последнему межкодовому переходу от своего идеального значения U FSR -1.5 U LSB , называется ошибкой полной шкалы (Full Scale Error ).

Коэффициентом преобразования АЦП называется тангенс угла наклона прямой, проведенной через начальную и конечную точки реальной характеристики преобразования. Разность между действительным и идеальным значением коэффициента преобразования называется ошибкой коэффициента преобразования (Gain Error ) (рис.3.7).Она включает ошибки на концах шкалы, но не включает ошибки нуля шкалы. Для униполярного диапазона она определяется как разность между ошибкой полной шкалы и ошибкой униполярного смещения нуля, а для биполярного диапазона – как разность между ошибкой полной шкалы и ошибкой биполярного смещения нуля. По сути дела в любом случае это отклонение идеального расстояния между последним и первым межкодовыми переходами (равного U FSR -2 U LSB ) от его реального значения.

Ошибки смещения нуля и коэффициента преобразования можно скомпенсировать подстройкой предварительного усилителя АЦП. Для этого необходимо иметь вольтметр с точностью не хуже 0.1 U LSB . Для независимости этих двух ошибок сначала корректируют ошибку смещения нуля, а затем, ошибку коэффициента преобразования. Для коррекции ошибки смещения нуля АЦП необходимо:

1. Установить входное напряжение точно на уровне 0.5 U LSB ;

2. Подстраивать смещение предварительного усилителя АЦП до тех пор, пока АЦП не переключится в состояние 00…01.

Для коррекции ошибки коэффициента преобразования необходимо:

1. Установить входное напряжение точно на уровне U FSR -1.5 U LSB ;

2. Подстраивать коэффициент усиления предварительного усилителя АЦП до тех пор, пока АЦП не переключится в состояние 11…1.

Из-за не идеальности элементов схемы АЦП ступеньки в различных точках характеристики АЦП отличаются друг от друга по величине и не равны U LSB (рис.3.8).

Отклонение расстояния между серединами двух соседних реальных шагов квантования от идеального значения шага квантования U LSB называется дифференциальной нелинейностью (DNL – Differential Nonlinearity). Если DNL больше или равна U LSB , то у АЦП могут появиться так называемые “пропущенные коды” (рис.3.3). Это влечет локальное резкое изменение коэффициента передачи АЦП, что в замкнутых системах управления может привести к потере устойчивости.

Для тех приложений, где важно поддерживать выходной сигнал с заданной точностью, важно на солько точно выходные коды АЦП соответствуют напряжениям межкодовых переходов. Максимальное отклонение центра шага квантования на реальной характеристике АЦП от линеаризованной характеристики называется интегральной нелинейностью (INL – Integral Nonlinearity) или относительной точностью (Relative Accuracy) АЦП (рис.3.9).

Линеаризованная характеристика проводится через крайние точки реальной характеристики преобразования, после того, как они были откалиброваны, т.е. устранены ошибки смещения нуля и коэффициента преобразования.

Ошибки дифференциальной и интегральной нелинейности скомпенсировать простыми средствами практически невозможно.

Разрешающей способностью АЦП (Resolution ) называется величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП

(3.8).

Этот параметр определяет какой минимальный уровень входного сигнала (относительно сигнала полной амплитуды) способен воспринимать АЦП.

Точность и разрешающая способность – две независимые характеристики. Разрешающая способность играет определяющую роль тогда, когда важно обеспечить заданный динамический диапазон входного сигнала. Точность является определяющей, когда требуется поддерживать регулируемую величину на заданном уровне с фиксированной точностью.

Динамическим диапазоном АЦП (DR - Dinamic Range ) называется отношение максимального воспринимаемого уровня входного напряжения к минимальному, выраженное в дБ

(3.9).

Этот параметр определяет максимальное количество информации, которое способен передавать АЦП. Так, для 12-разрядного АЦП DR =72 дБ.

Характеристики реальных АЦП отличаются от характеристик идеальных устройств из-за неидеальности элементов реального устройства. Рассмотрим некоторые параметры, характеризующие реальные АЦП.

Отношением сигнал-шум (SNR – Signal to Noise Ratio ) называется отношение среднеквадратического значения входного синусоидального сигнала к среднеквадратическому значению шума, который определяется как сумма всех остальных спектральных компонент вплоть до половины частоты дискретизации, без учета постоянной составляющей. Для идеального N -разрядного АЦП, который генерирует лишь шум квантования SNR , выражаемый в децибелах, можно определить как

(3.10),

где N – разрядность АЦП. Так, для 12-разрядного идеального АЦП SNR =74 дБ. Это значение больше значения динамического диапазона такого же АЦП т.к. минимальный уровень воспринимаемого сигнала должен быть больше уровня шума. В данной формуле учитывается только шум квантования и не учитываются другие источники шума, существующие в реальных АЦП. Поэтому, значения SNR для реальных АЦП как правило ниже идеального. Типичным значением SNR для реального 12-разрядного АЦП является 68-70 дБ.

Если входной сигнал имеет размах меньше U FSR , то в последнюю формулу нужно внести корректировку

(3.11),

где К ОС – ослабление входного сигнала, выраженное в дБ. Так, если входной сигнал 12-разрядного АЦП имеет амплитуду в 10 раз меньше половины напряжения полной шкалы, то К ОС =-20 дБ и SNR =74 дБ – 20 дБ=54 дБ.

Значение реального SNR может быть использовано для определения эффективного количества разрядов АЦП (ENOB – Effective Number of Bits ). Оно определяется по формуле

(3.12).

Этот показатель может характеризовать действительную решающую способность реального АЦП, Так, 12-разрядный АЦП, у которого SNR =68 дБ для сигнала с К ОС =-20 дБ является на самом деле 7-разрядным (ENOB =7.68). Значение ENOB сильно зависит от частоты входного сигнала, т.е. эффективная разрядность АЦП падает с увеличением частоты.

Суммарный коэффициент гармоник (THD – Total Harmonic Distortion ) – это отношение суммы среднеквадратических значений всех высших гармоник к среднеквадратическому значению основной гармоники

(3.13),

где n обычно ограничивают на уровне 6 или 9. Этот параметр характеризует уровень гармонических искажений выходного сигнала АЦП по сравнения с входным. THD возрастает с частотой входного сигнала.

Полоса частот полной мощности (FPBW – Full Power Bandwidth ) – это максимальная частота входного сигнала с размахом, равным полной шкале, при которой амплитуда восстановленной основной составляющей уменьшается не более чем на 3 дБ. С ростом частоты входного сигнала аналоговые цепи АЦП перестают успевать отрабатывать его изменения с заданной точностью, что приводит к уменьшению коэффициента преобразования АЦП на высоких частотах.

Время установления (Settling Time ) – это время, необходимое АЦП для достижения номинальной точности после того, как на ее вход был подан ступенчатый сигнал с амплитудой, равной полному диапазонувходного сигнала. Этот параметр ограничен из-за конечного быстродействия различных узлов АЦП.

Вследствие различного рода погрешностей характеристика реального АЦП является нелинейной. Если на вход устройства с нелинейностями подать сигнал, спектр которого состоит из двух гармоник f a и f b , то в спектре выходного сигнала такого устройства кроме основных гармоник будут присутствовать интермодуляционные субгармоники с частотами , где m , n =1,2,3,… Субгармоники второго порядка – это f a + f b , f a - f b , субгармоники третьего порядка – это 2 f a + f b , 2 f a - f b , f a +2 f b , f a -2 f b . Если входные синусоиды имеют близкие частоты, расположенные вблизи верхнего края полосы пропускания, то субгармоники второго порядка далеко отстоят от входных синусоид и располагаются в области нижних частот, тогда как субгармоники третьего порядка имеют частоты, близкие к входным частотам.

Коэффициент интермодуляционных искажений (Intermodulatin Distortion ) – это отношение суммы среднеквадратических значений интермодуляционных субгармоник определенного порядка к сумме среднеквадратических значений основных гармоник, выраженное в дБ

(3.14).

Любой способ аналого-цифрового преобразования требует некоторого конечного времени для его выполнения. Под временем преобразования АЦП (Conversion Time ) понимается интервал времени от момента поступления аналогового сигнала на вход АЦП до момента появления соответствующего выходного кода. Если входной сигнал АЦП изменяется во времени, то конечное время преобразования АЦП приводит к появлению т.н. аппертурной погрешности (рис.3.10).

Сигнал начала преобразования поступает в момент t 0 , а выходной код появляется в момент t 1 . За это время входной сигнал успел измениться на величину D U . Возникает неопределенность: какому уровню значения входного сигнала в диапазоне U 0 – U 0 + D U соответствует данный выходной код. Для сохранения точности преобразования на уровне единицы младшего разряда необходимо чтобы за время преобразования изменение значения сигнала на входе АЦП составило бы не более величины единицы младшего разряда

(3.15).

Изменение уровня сигнала за время преобразования можно приблизительно вычислить как

(3.16),

где U in – входное напряжение АЦП, T c – время преобразования. Подставляя (3.16) в (3.15) получим

(3.17).

Если на входе действует синусоидальный сигнал с частотой f

(3.18),

то его производная будет равна

(3.19).

Она принимает максимальное значение когда косинус равен 1. Подставляя с учетом этого (3.9) в (3.7) получим

, или

(3.20)

Конечное время преобразования АЦП приводит к требованию ограничения скорости изменения входного сигнала. Для того, чтобы уменьшить апертурную погрешность и т.о. ослабить ограничение на скорость изменения входного сигнала АЦП на входе преобразователя устанавливается т.н. «устройство выборки-хранения» (УВХ) (Track / Hold Unit ). Упрощенная схема УВХ представлена на рис.3.11.

Это устройство имеет два режима работы: режим выборки и режим фиксации. Режим выборки соответствует замкнутому состоянию ключа SW . В этом режиме выходное напряжение УВХ повторяет его входное напряжение. Режим фиксации включается по команде размыкающей ключ SW . При этом связь между входом и выходом УВХ прерывается, а выходной сигнал поддерживается на постоянном уровне, соответствующем уровню входного сигнала на момент поступления команды фиксации за счет заряда, накопленного на конденсаторе. Т.о., если подать команду фиксации непосредственно перед началом преобразования АЦП, то выходной сигнал УВХ будет поддерживаться на неизменном уровне в течение всего времени преобразования. После окончания преобразования УВХ снова переводится в режим выборки. Работа реального УВХ несколько отличается от идеального случая, который был описан (рис.3.12).

(3.21),

где f – частота входного сигнала, t A – величина апертурной неопределенности.

В реальных УВХ выходной сигнал не может оставаться абсолютно неизменным в течение конечного времени преобразования. Конденсатор будет постепенно разряжаться маленьким входным током выходного буфера. Для сохранения требуемой точности необходимо чтобы за время преобразования заряд конденсатора не изменился больше чем на 0.5 U LSB .

Цифро-аналоговые преобразователи устанавливаются обычно на выходе микропроцессорной системы для преобразования ее выходных кодов в аналоговый сигнал, подаваемый на непрерывный объект регулирования. Идеальная статическая характеристика 3-разрядного ЦАП представлена на рис.3.13.

Начальная точка характеристики определяетсякак точка, соответствующая первому (нулевому) входному коду U 00…0 . Конечная точка характеристики определяетсякак точка, соответствующая последнему входному коду U 11…1 . Определения диапазона выходного напряжения, единицы младшего разряда квантования, ошибки смещения нуля, ошибки коэффициента преобразования аналогичны соответствующим характеристикам АЦП.

С точки зрения структурной организации у ЦАП наблюдается гораздо меньшее разнообразие вариантов построения преобразователя. Основной структурой ЦАП является т.н. “цепная R -2 R схема” (рис.3.14).

Легко показать, что входной ток схемы равен I in = U REF / R , а токи последовательных звеньев цепи соответственно I in /2, I in /4, I in /8 и т.д. Для преобразования входного цифрового кода в выходной ток достаточно собрать все токи плечей, соответствующих единицам во входном коде, в выходной точке преобразователя (рис.3.15).

Если к выходной точке преобразователя подключить операционный усилитель, то выходное напряжение можно определить как

(3.22),

где K – входной цифровой код, N – разрядность ЦАП.

Все существующие ЦАП делятся на две больших группы: ЦАП с выходом по току и ЦАП с выходом по напряжению. Различие между ними заключается в отсутствии или наличии у микросхемы ЦАП оконечного каскада на операционном усилителе. ЦАП с выходом по напряжению являются более завершенными устройствами и требуют меньше дополнительных элементов для своей работы. Однако, оконечный каскад наряду с параметрами лесничной схемы определяет динамические и точностные параметры ЦАП. Выполнить точный быстродействующий операционный усилитель на одном кристалле с ЦАП часто бывает затруднительно. Поэтому большинство быстродействующих ЦАП имеют выход по току.

Дифференциальная нелинейность для ЦАП определяется как отклонение расстояния между двумя соседними уровнями выходного аналогового сигнала от идеального значения U LSB . Большое значение дифференциальной нелинейности может привести к тому, что ЦАП станет немонотонным. Это означает, что увеличение цифрового кода будет приводить к уменьшению выходного сигнала на каком нибудь участке характеристики (рис.3.16). Это может приводить к нежелательной генерации в системе.

Интегральная нелинейность для ЦАП определяется как наибольшее отклонение уровня аналогового выходного сигнала от прямой линии, проведенной через точки, соответствующие первому и последнему коду, после того, как они отрегулированы.

Время установления ЦАП определяется как время, за которое выходной сигал ЦАП установится на заданном уровне с погрешностью не более 0.5 U LSB после того, как входной код изменился со значения 00…0 до значения 11…1. Если ЦАП имеет входные регистры, то определенная часть времени установления обусловлена фиксированной задержкой прохождения цифровых сигналов, и лишь оставшаяся часть – инерционностью самой схемы ЦАП. Поэтому время установления измеряют обычно не от момента поступления нового кода на вход ЦАП, а от момента начала изменения выходного сигнала, соответствующего новому коду, до момента установления выходного сигнала с точностью 0.5U LSB (рис.3.17) .

В этом случае время установления определяет максимальную частоту стробирования ЦАП

(3.23),

где t S – время установления.

Входные цифровые цепи ЦАП имеют конечное быстродействие. В добавок, скорость распространения сигналов, соответствующих различным разрядом входного кода, неодинакова вследствие разброса параметров элементов и схемных особенностей. В результате этого плечи лестничной схемы ЦАП при поступлении нового кода переключаются не синхронно, а с некоторой задержкой один относительно другого. Это приводит к тому, что в диаграмме выходного напряжения ЦАП, при переходе от одного установившегося значения к другому наблюдаются выбросы различной амплитуды и направленности (рис.3.18).

Согласно алгоритму работы, ЦАП представляет из себя экстраполятор нулевого порядка, частотная характеристика которого может быть представлена выражением

(3.24),

где w s – частота дискретизации. Амплитудно-частотная характеристика ЦАП представлена на рис.3.20.

Как видно, на частоте 0.5 w s восстанавливаемый сигнал ослабляется на 3.92 дБ по сравнению с низкочастотными составляющими сигнала. Таким образом, имеет место небольшое искажение спектра восстанавливаемого сигнала. В большинстве случаев это небольшое искажение не сказывается значительно на параметрах системы. Однако, в тех случаях, когда необходима повышенная линейность спектральных характеристик системы (например в системах обработки звука), для выравнивания результирующего спектра на выходе ЦАП необходимо ставить специальный восстанавливающий фильтр с частотной характеристикой типа x / sin (x ).

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – это устройство, с помощью которого происходит процесс преобразования в числовое представление входной физической величины. В качестве входной величины может быть ток, напряжение, сопротивление, емкость.

АЦП тесно связан с понятием измерения, под которым имеется в виду процесс сравнения с эталоном измеряемой входной величины. То есть аналогово-цифровое преобразование рассматривается в качестве измерения значения входного сигнала и, соответственно, к нему можно применять понятия погрешности измерения.

АЦП обладает рядом характеристик, главными из которых являются разрядность и частота преобразования. Разрядность выражается в битах, а частота преобразования – в отсчетах в секунду. Чем выше разрядность и скорость, тем сложнее приобрести необходимые характеристики и тем сложнее и дороже преобразователь.

Принцип АЦП, состав и структурные схемы в значительной мере зависят от метода преобразований.

Классификация

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис. 2 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

Среди разновидностей аналого-цифровых преобразователей, наиболее популярными являются:

1. АЦП параллельного преобразования. Обладают низкой разрядностью и высоким быстродействием. Принцип действия заключается в поступлении входного сигнала на «плюсовые» входы компараторов, а ряд напряжений подается на «минусовые». Работа компараторов осуществляется параллельно, время задержки схемы складывается из времени задержки в одном компараторе и времени задержки в шифраторе. Исходя из этого, шифратор и компаратор можно сделать быстрыми и схема получит высокое быстродействие.
2. АЦП последовательного приближения. Осуществляет измерение величины входного сигнала, производя ряд «взвешиваний» или сравнений величин входного напряжения и ряда величин. Характеризуется высокой скоростью преобразования и ограничен точностью внутреннего ЦАП.

3. АЦП с балансировкой заряда. Принцип действия заключается в сравнении входного напряжения со значением напряжения, которое накоплено интегратором. Импульсы подаются на вход интегратора отрицательной или положительной полярности, исходя из результата сравнения. В итоге, напряжение на выходе «прослеживает» за входным напряжением. Характеризуется высокой точностью при низкком уровне собственного шума.

Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.

• АЦП является составной частью цифрового вольтметра и мультиметра.
• Специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.
• АЦП являются составной частью систем сбора данных.
• АЦП последовательного приближения разрядностью 8-12 бит и сигма-дельта-АЦП разрядностью 16-24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры.
• Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвеерные АЦП)
• Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).
• АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора.
• Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в антенных решётках РЛС.

34. Цифро-аналоговые преобразователи, назначение, структура, принцип действия .

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП ) - устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции. Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

Давайте рассмотрим основной спектр вопросов, которые можно отнести к принципу действия разных типов. Последовательный счет, поразрядное уравновешивание - что скрывается за этими словами? В чем заключается принцип работы АЦП микроконтроллера? Эти, а также ряд других вопросов мы рассмотрим в рамках статьи. Первые три части мы посвятим общей теории, а с четвертого подзаголовка будем изучать принцип их работы. Вы можете в различной литературе встречать термины АЦП и ЦАП. Принцип работы этих устройств немного различается, поэтому не путайте их. Так, в статье будет рассматриваться из аналоговой формы в цифровую, в то время как ЦАП работает наоборот.

Определение

Прежде чем рассматривать принцип работы АЦП, давайте узнаем, что это за устройство. Аналого-цифровые преобразователи являются приборами, которые физическую величину превращают в соответствующее числовое представление. В качестве начального параметра может выступать практически всё что угодно - ток, напряжение, емкость, сопротивление, угол поворота вала, частота импульсов и так далее. Но чтобы иметь определённость, мы будем работать только с одним преобразованием. Это "напряжение-код". Выбор такого формата работы не случаен. Ведь АЦП (принцип работы этого устройства) и его особенности в значительной мере зависят от того, какое понятие измерения используется. Под этим понимают процесс сравнения определённой величины с ранее установленным эталоном.

Характеристики АЦП

Основными можно назвать разрядность и частоту преобразования. Первую выражают в битах, а вторую - в отсчетах на секунду. Современные аналого-цифровые преобразователи могут обладать разрядностью 24 бита или скоростью преобразования, которая доходит до единиц GSPS. Обратите внимание, что АЦП может одновременно предоставлять вам в использование только одну свою характеристику. Чем большие их показатели, тем сложнее работать с устройством, да и оно само стоит дороже. Но благо можно получить необходимые показатели разрядности, пожертвовав скоростью работы прибора.

Типы АЦП

Принцип работы разнится у различных групп устройств. Мы рассмотрим следующие типы:

1. С прямым преобразованием.
2. С последовательным приближением.
3. С параллельным преобразованием.
4. Аналого-цифровой преобразователь с балансировкой заряда (дельта-сигма).
5. Интегрирующие АЦП.

Есть много других конвейерных и комбинированных типов, которые обладают своими особенными характеристиками с разной архитектурой. Но те образцы, которые будут рассматриваться в рамках статьи, представляют интерес благодаря тому, что они играют показательную роль в своей нише устройств такой специфики. Поэтому давайте будем изучать принцип работы АЦП, а также его зависимость от физического устройства.

Прямые аналого-цифровые преобразователи

Они стали весьма популярными в 60-70-х годах прошлого столетия. В виде производятся с 80-х гг. Это весьма простые, даже примитивные устройства, которые не могут похвастаться значительными показателями. Их разрядность обычно составляет 6-8 бит, а скорость редко превышает 1 GSPS.

Принцип работы АЦП данного типа таков: на плюсовые входы компараторов одновременно поступает входной сигнал. На минусовые выводы подается напряжение определённой величины. А затем устройство определяет свой режим работы. Это делается благодаря опорному напряжению. Допустим, что у нас есть устройство, где 8 компараторов. При подаче ½ опорного напряжения будет включено только 4 из них. Приоритетным шифратором сформируется который и зафиксируется выходным регистром. Относительно достоинств и недостатков можно сказать, работы позволяет создавать быстродействующие устройства. Но для получения необходимой разрядности приходится сильно попотеть.

Общая формула количества компараторов выглядит таким образом: 2^N. Под N необходимо поставить количество разрядов. Рассматриваемый ранее пример можно использовать ещё раз: 2^3=8. Итого для получения третьего разряда необходимо 8 компараторов. Таков принцип работы АЦП, которые были созданы первыми. Не очень удобно, поэтому в последующем появились другие архитектуры.

Аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения

Здесь используется алгоритм «взвешивания». Сокращенно устройства, работающие по такой методике, называют просто АЦП последовательного счета. Принцип работы таков: устройством измеряется величина входного сигнала, а потом она сравнивается с числами, которые генерируются по определённой методике:

1. Устанавливается половина возможного опорного напряжения.
2. Если сигнал преодолел предел величины из пункта №1, то сравнивается с числом, которое лежит посредине между оставшимся значением. Так, в нашем случае это будет ¾ опорного напряжения. Если опорный сигнал не дотягивает до этого показателя, то сравнение будет проводиться с другой частью интервала по такому же принципу. В данном примере это ¼ опорного напряжения.
3. Шаг 2 необходимо повторить Н раз, что даст нам Н бит результата. Это благодаря проведению Н количества сравнений.

Данный принцип работы позволяет получать устройства с относительной высокой скоростью преобразования, которыми и являются АЦП последовательного приближения. Принцип работы, как видите, прост, и данные приборы отлично подходят для различных случаев.

Параллельные аналого-цифровые преобразователи

Они работают подобно последовательным устройствам. Формула расчета - (2^Н)-1. Для рассматриваемого ранее случая нам понадобится (2^3)-1 компараторов. Для работы используется определённый массив этих устройств, каждое из которых может сравнивать входное и индивидуальное опорное напряжение. Параллельные аналого-цифровые преобразователи являются довольно быстрыми приборами. Но принцип построения этих устройств таков, что для поддержки их работоспособности необходима значительная мощность. Поэтому использовать их при батарейном питании нецелесообразно.

Аналого-цифровой преобразователь с поразрядным уравновешиванием

Он действует по похожей схеме, что и предыдущее устройство. Поэтому чтобы объяснить функционирование АЦП поразрядного уравновешивания, принцип работы для начинающих будет рассмотрен буквально на пальцах. В основе данных устройств лежит явление дихотомии. Иными словами, проводится последовательное сравнение измеряемой величины с определённой частью максимального значения. Могут браться значения в ½, 1/8, 1/16 и так далее. Поэтому аналого-цифровой преобразователь может выполнить весь процесс за Н итераций (последовательных шагов). Причем Н равняется разрядности АЦП (посмотрите на ранее приведённые формулы). Таким образом, мы имеем значительный выигрыш во времени, если особенно важным является быстродействие техники. Несмотря на значительную скорость, эти устройства также характеризуются низкой статической погрешностью.

Аналого-цифровые преобразователи с балансировкой заряда (дельта-сигма)

Это самый интересный тип устройства, не в последнюю очередь благодаря своему принципу работы. Он заключается в том, что происходит сравнение входного напряжения с тем, что накопилось интегратором. На вход подаются импульсы с отрицательной или положительной полярностью (всё зависит от результата предыдущей операции). Таким образом, можно сказать, что подобный аналого-цифровой преобразователь является простой следящей системой. Но это только как пример для сравнения, чтобы вы могли понимать, АЦП. Принцип работы системный, но для результативного функционирования этого аналого-цифрового преобразователя мало. Конечным результатом является нескончаемый поток единиц и нулей, который идёт через цифровой ФНЧ. Из них формируется определённая битная последовательность. Различают АЦП-преобразователи первого и второго порядков.

Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи

Это последний частный случай, который будет рассмотрен в рамках статьи. Далее мы будем описывать принцип работы данных устройств, но уже на общем уровне. Этот АЦП является аналого-цифровым преобразователем с двухтактным интегрированием. Встретить подобное устройство можно в цифровом мультиметре. И это не удивительно, ведь они обеспечивают высокую точность и одновременно хорошо подавляют помехи.

Теперь давайте сосредоточимся на его принципе работы. Он заключается в том, что входным сигналом заряжается конденсатор на протяжении фиксированного времени. Как правило, этот период составляет единицу частоты сети, которая питает устройство (50 Гц или 60 Гц). Также он может быть кратным. Таким образом, подавляются высокочастотные помехи. Одновременно нивелируется влияние нестабильного напряжения сетевого источника получения электроэнергии на точность полученного результата.

Когда оканчивается время заряда аналого-цифрового преобразователя, конденсатор начинает разряжаться с определённой фиксированной скоростью. Внутренний счетчик устройства считает количество тактовых импульсов, которые формируются во время этого процесса. Таким образом, чем больше временной промежуток, тем значительнее показатели.

АЦП двухтактного интегрирования обладают высокой точностью и Благодаря этому, а также сравнительно простой структуре построения они выполняются как микросхемы. Основной недостаток такого принципа работы - зависимость от показателя сети. Помните, что его возможности привязаны к длительности частотного периода источника питания.

Вот как устроен АЦП двойного интегрирования. Принцип работы данного устройства хотя и является довольно сложным, но он обеспечивает качественные показатели. В некоторых случаях такое бывает просто необходимым.

Выбираем АПЦ с необходимым нам принципом работы

Допустим, перед нами стоит определенная задача. Какое выбрать устройство, чтобы оно могло удовлетворить все наши запросы? Для начала давайте поговорим про разрешающую способность и точность. Очень часто их путают, хотя на практике они очень слабо зависят один от второго. Запомните, что 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. В этом случае разрешение - это мера того, какое количество сегментов может быть выделено с входного диапазона измеряемого сигнала. Так, 8-разрядные АЦП обладают 2 8 =256 такими единицами.

Точность - это суммарное отклонение полученного результата преобразования от идеального значения, которое должно быть при данном входном напряжении. То есть первый параметр характеризует потенциальные возможности, которые имеет АЦП, а второй показывает, что же мы имеем на практике. Поэтому нам может подойти и более простой тип (например, прямые аналого-цифровые преобразователи), который позволит удовлетворить потребности благодаря высокой точности.

Чтобы иметь представление о том, что нужно, для начала необходимо просчитать физические параметры и построить математическую формулу взаимодействия. Важными в них являются статические и динамические погрешности, ведь при использовании различных компонентов и принципов построение устройства они будут по-разному влиять на его характеристики. Более детальную информацию можно обнаружить в технической документации, которую предлагает производитель каждого конкретного прибора.

Пример

Давайте рассмотрим АЦП SC9711. Принцип работы данного устройства сложен ввиду его размера и возможностей. Кстати, говоря о последних, необходимо заметить, что они по-настоящему разнообразные. Так, к примеру, частота возможной работы колеблется от 10 Гц до 10 МГц. Иными словами, оно может делать 10 млн отсчетов в секунду! Да и само устройство не является чем-то цельным, а имеет модульную структуру построения. Но используется оно, как правило, в сложной технике, где необходимо работать с большим количеством сигналов.

Заключение

Как видите, АЦП в своей основе имеют различные принципы работы. Это позволяет нам подбирать устройства, которые удовлетворят возникшие запросы, и при этом позволят разумно распорядиться имеющимися средствами.

Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП - связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах , в троичных АЦП измеряется в тритах . Например, двоичный 8-разрядный АЦП способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку 2 8 = 256 {\displaystyle 2^{8}=256} , троичный 8-разрядный АЦП способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку 3 8 = 6561 {\displaystyle 3^{8}=6561} .

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

• Пример 1
  • Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
  • Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 2 12 = 4096 уровней квантования
  • Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ
  • Разрядность троичного АЦП 12 трит: 3 12 = 531 441 уровень квантования
  • Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ
• Пример 2
  • Диапазон входных значений = от −10 до +10 вольт
  • Разрядность двоичного АЦП 14 бит: 2 14 = 16384 уровня квантования
  • Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 вольт = 1,22 мВ
  • Разрядность троичного АЦП 14 трит: 3 14 = 4 782 969 уровней квантования
  • Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 мВ = 4,18 мкВ

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (англ. effective number of bits, ENOB ), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение сигнал/шум входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (6 дБ соответствует двукратному изменению уровня сигнала).

Типы преобразования

По способу применяемых алгоритмов АЦП делят на:

• Последовательного приближения
• Последовательные с сигма-дельта-модуляцией
• Параллельные одноступенчатые
• Параллельные двух- и более ступенчатые (конвейерные)

АЦП первых двух типов подразумевают обязательное применение в своем составе устройства выборки и хранения (УВХ). Это устройство служит для запоминания аналогового значения сигнала на время, необходимое для выполнения преобразования. Без него результат преобразования АЦП последовательного типа будет недостоверным. Выпускаются интегральные АЦП последовательного приближения, как содержащие в своем составе УВХ, так и требующие внешнее УВХ [ ] .

Линейные АЦП

Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование, по сути, является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное - операция нелинейная).

Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от

m (k + b ) m (k + 1 + b ),

где m и b - некоторые константы. Константа b , как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise ), если же b = −0,5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread ).

Нелинейные АЦП

Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).

Апертурная погрешность (джиттер)

Пусть мы оцифровываем синусоидальный сигнал x (t) = A sin ⁡ 2 π f 0 t {\displaystyle x(t)=A\sin 2\pi f_{0}t} . В идеальном случае отсчёты берутся через равные промежутки времени. Однако в реальности время момента взятия отсчёта подвержено флуктуациям из-за дрожания фронта синхросигнала (clock jitter ). Полагая, что неопределённость момента времени взятия отсчёта порядка Δ t {\displaystyle \Delta t} , получаем, что ошибка, обусловленная этим явлением, может быть оценена как

E a p ≤ | x ′ (t) Δ t | ≤ 2 A π f 0 Δ t {\displaystyle E_{ap}\leq |x"(t)\Delta t|\leq 2A\pi f_{0}\Delta t} .

Ошибка относительно невелика на низких частотах, однако на больших частотах она может существенно возрасти.

Эффект апертурной погрешности может быть проигнорирован, если её величина сравнительно невелика по сравнению с ошибкой квантования. Таким образом, можно установить следующие требования к дрожанию фронта сигнала синхронизации:

Δ t < 1 2 q π f 0 {\displaystyle \Delta t<{\frac {1}{2^{q}\pi f_{0}}}} ,

где q {\displaystyle q} - разрядность АЦП.

Разрядность АЦП	Максимальная частота входного сигнала
	44,1 кГц	192 кГц	1 МГц	10 МГц	100 МГц
8	28,2 нс	6,48 нс	1,24 нс	124 пс	12,4 пс
10	7,05 нс	1,62 нс	311 пс	31,1 пс	3,11 пс
12	1,76 нс	405 пс	77,7 пс	7,77 пс	777 фс
14	441 пс	101 пс	19,4 пс	1,94 пс	194 фс
16	110 пс	25,3 пс	4,86 пс	486 фс	48,6 фс
18	27,5 пс	6,32 пс	1,21 пс	121 фс	12,1 фс
24	430 фс	98,8 фс	19,0 фс	1,9 фс	190 ас

Из этой таблицы можно сделать вывод о целесообразности применения АЦП определённой разрядности с учётом ограничений, накладываемых дрожанием фронта синхронизации (clock jitter ). Например, бессмысленно использовать прецизионный 24-битный АЦП для записи звука, если система распределения синхросигнала не в состоянии обеспечить ультрамалой неопределённости.

Вообще качество тактового сигнала чрезвычайно важно не только по этой причине. Например, из описания микросхемы AD9218 (Analog Devices):

Any high speed ADC is extremely sensitive to the quality of the sampling clock provided by the user. A track-and-hold circuit is essentially a mixer. Any noise, distortion, or timing jitter on the clock is combined with the desired signal at the analog-to-digital output.

То есть любой высокоскоростной АЦП крайне чувствителен к качеству оцифровывающей тактовой частоты, подаваемой пользователем. Схема выборки и хранения , по сути, является смесителем (перемножителем). Любой шум, искажения, или дрожание фазы тактовой частоты смешиваются с полезным сигналом и поступают на цифровой выход.

Частота дискретизации

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени , в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.

Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T - период дискретизации), и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции . Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова - Шеннона точное восстановление возможно, только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным, по крайней мере, от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования ). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП - устройства выборки-хранения (УВХ). УВХ, как правило, хранит входное напряжение на конденсаторе , который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании - хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем , содержат встроенное УВХ.

Наложение спектров (алиасинг)

Все АЦП работают путём выборки входных значений через фиксированные интервалы времени. Следовательно, выходные значения являются неполной картиной того, что подаётся на вход. Глядя на выходные значения, нет никакой возможности установить, как вёл себя входной сигнал между выборками. Если известно, что входной сигнал меняется достаточно медленно относительно частоты дискретизации, то можно предположить, что промежуточные значения между выборками находятся где-то между значениями этих выборок. Если же входной сигнал меняется быстро, то никаких предположений о промежуточных значениях входного сигнала сделать нельзя, а следовательно, невозможно однозначно восстановить форму исходного сигнала.

Если последовательность цифровых значений, выдаваемая АЦП, где-либо преобразуется обратно в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем , желательно, чтобы полученный аналоговый сигнал был максимально точной копией исходного сигнала. Если входной сигнал меняется быстрее, чем делаются его отсчёты, то точное восстановление сигнала невозможно, и на выходе ЦАП будет присутствовать ложный сигнал. Ложные частотные компоненты сигнала (отсутствующие в спектре исходного сигнала) получили название alias (ложная частота, побочная низкочастотная составляющая). Частота ложных компонент зависит от разницы между частотой сигнала и частотой дискретизации. Например, синусоидальный сигнал с частотой 2 кГц, дискретизованный с частотой 1.5 кГц, был бы воспроизведён как синусоида с частотой 500 Гц. Эта проблема получила название наложение частот (aliasing ).

Для предотвращения наложения спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Этот фильтр получил название anti-aliasing (антиалиасинговый) фильтр, его применение чрезвычайно важно при построении реальных АЦП.

Вообще, применение аналогового входного фильтра интересно не только по этой причине. Казалось бы, цифровой фильтр, который обычно применяется после оцифровки, имеет несравненно лучшие параметры. Но, если в сигнале присутствуют компоненты, значительно более мощные, чем полезный сигнал, и достаточно далеко отстоящие от него по частоте, чтобы быть эффективно подавленными аналоговым фильтром, такое решение позволяет сохранить динамический диапазон АЦП: если помеха на 10 дБ сильнее сигнала, на неё впустую будет тратиться, в среднем, три бита разрядности.

Хотя наложение спектров в большинстве случаев является нежелательным эффектом, его можно использовать во благо. Например, благодаря этому эффекту можно обойтись без преобразования частоты вниз при оцифровке узкополосного высокочастотного сигнала (смотрите смеситель). Для этого, однако, входные аналоговые каскады АЦП должны иметь значительно более высокие параметры, чем это требуется для стандартного использования АЦП на основной (видео или низшей) гармонике. Также для этого необходимо обеспечить эффективную фильтрацию внеполосных частот до АЦП, так как после оцифровки нет никакой возможности идентифицировать и/или отфильтровать большинство из них.

Подмешивание псевдослучайного сигнала (dither)

Некоторые характеристики АЦП могут быть улучшены путём использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала (англ. dither ). Она заключается в добавлении к входному аналоговому сигналу случайного шума (белый шум) небольшой амплитуды. Амплитуда шума, как правило, выбирается на уровне половины МЗР. Эффект от такого добавления заключается в том, что состояние МЗР случайным образом переходит между состояниями 0 и 1 при очень малом входном сигнале (без добавления шума МЗР был бы в состоянии 0 или 1 долговременно). Для сигнала с подмешанным шумом вместо простого округления сигнала до ближайшего разряда происходит случайное округление вверх или вниз, причём среднее время, в течение которого сигнал округлён к тому или иному уровню, зависит от того, насколько сигнал близок к этому уровню. Таким образом, оцифрованный сигнал содержит информацию об амплитуде сигнала с разрешающей способностью лучше, чем МЗР, то есть происходит увеличение эффективной разрядности АЦП. Негативной стороной методики является увеличение шума в выходном сигнале. Фактически ошибка квантования размазывается по нескольким соседним отсчётам. Такой подход является более желательным, чем простое округление до ближайшего дискретного уровня. В результате использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала мы имеем более точное воспроизведение сигнала во времени. Малые изменения сигнала могут быть восстановлены из псевдослучайных скачков МЗР путём фильтрации. Кроме того, если шум детерминирован (амплитуда добавляемого шума точно известна в любой момент времени), то его можно вычесть из оцифрованного сигнала, предварительно увеличив его разрядность, тем самым почти полностью избавиться от добавленного шума.

Звуковые сигналы очень малых амплитуд, оцифрованные без псевдослучайного сигнала, воспринимаются на слух очень искажёнными и неприятными. При подмешивании псевдослучайного сигнала истинный уровень сигнала представлен средним значением нескольких последовательных отсчётов.

Типы АЦП

Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:

• Параллельные АЦП прямого преобразования , полностью параллельные АЦП, содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр, тогда обработка кода осуществляется программно, либо на аппаратный логический шифратор , аппаратно генерирующий нужный цифровой код в зависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП, в общем случае, зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений. Параллельные АЦП прямого преобразования - самые быстрые, но обычно имеют разрешение не более 8 бит, так как влекут за собой большие аппаратные затраты ( 2 n − 1 = 2 8 − 1 = 255 {\displaystyle 2^{n}-1=2^{8}-1=255} компараторов). АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы , высокую входную ёмкость , и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.
• Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования , частично последовательные АЦП, сохраняя высокое быстродействие позволяют значительно уменьшить количество компараторов (до k ⋅ (2 n / k − 1) {\displaystyle k\cdot (2^{n/k}-1)} , где n - число битов выходного кода, а k - число параллельных АЦП прямого преобразования), требующееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой (при 8-ми битах и 2-х АЦП требуется 30 компараторов). Используют два или более (k) шага-поддиапазона. Содержат в своем составе k параллельных АЦП прямого преобразования. Второй, третий и т. д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путём оцифровки этой ошибки. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения. АЦП этого типа медленнее параллельных АЦП прямого преобразования, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования применяется конвейерная работа параллельных АЦП.
• Конвейерная работа АЦП , применяется в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в отличие от обычного режима работы параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в котором данные передаются после полного преобразования, при конвейерной работе данные частичных преобразований передаются по мере готовности до окончания полного преобразования.
• Последовательные АЦП прямого преобразования , полностью последовательные АЦП (k=n), медленнее параллельных АЦП прямого преобразования и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, но ещё больше (до n ⋅ (2 n / n − 1) = n ⋅ (2 1 − 1) = n {\displaystyle n\cdot (2^{n/n}-1)=n\cdot (2^{1}-1)=n} , где n - число битов выходного кода, а k - число параллельных АЦП прямого преобразования) уменьшают количество компараторов (при 8-ми битах требуется 8 компараторов). Троичные АЦП этого вида приблизительно в 1,5 раза быстрее соизмеримых по числу уровней и аппаратным затратам двоичных АЦП этого же вида .
• или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N - разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск . АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться).
• (англ. delta-encoded ADC ) содержат реверсивный счётчик , код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. В худшем случае время преобразования равно T max =(2 q)/f с , где q - разрядность АЦП, f с - частота тактового генератора счётчика. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход: дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает в случаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики.
• АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП , также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких других преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования .
• АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат , компаратор , интегратор тока , тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование ). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN , где T - период тактового генератора, N - константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. Можно показать, что количество импульсов n , посчитанное за время разряда, равно: n =U вх N (RI 0 ) −1 , где U вх - входное напряжение АЦП, N - число импульсов этапа накопления (определено выше), R - сопротивление резистора, преобразующего входное напряжение в ток, I 0 - значение тока от генератора стабильного тока, разряжающего интегратор на втором этапе. Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы (прежде всего, ёмкость конденсатора интегратора) не входят в итоговое выражение. Это является следствием двухстадийности процесса: погрешности, введённые на первом и втором этапах, взаимно вычитаются. Не предъявляются жёсткие требования даже к долговременной стабильности тактового генератора и напряжению смещения компаратора: эти параметры должны быть стабильны лишь кратковременно, то есть в течение каждого преобразования (не более 2TN ). Фактически принцип двухстадийного интегрирования позволяет напрямую преобразовывать отношение двух аналоговых величин (входного и образцового тока) в отношение числовых кодов (n и N в терминах, определённых выше) практически без внесения дополнительных ошибок. Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 [ ] двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей, нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования. АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности.
• АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов . Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота . Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.
• Сигма-дельта -АЦП (называемые также дельта-сигма АЦП) производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую, и путём фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.

Неэлектронные АЦП обычно строятся на тех же принципах.

Оптические АЦП

Существуют оптические методы [ ] преобразования электрического сигнала в код. Они основаны на способности некоторых веществ изменять показатель преломления под действием электрического поля. При этом проходящий через вещество луч света изменяет свою скорость или угол отклонения на границе этого вещества в соответствии с изменением показателя преломления. Существует несколько способов регистрации этих изменений. Например, линейка фотоприемников регистрирует отклонение луча, переводя его в дискретный код. Различные интерференционные схемы с участием задержанного луча позволяют оценивать изменения сигнала или строить компараторы электрических величин.

Один из факторов, увеличивающих стоимость микросхем , - это количество выводов, поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединён к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс . Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью.

Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключённых внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор . Различные модели АЦП могут включать в себя устройства выборки-хранения, инструментальные усилители или высоковольтный дифференциальный вход и другие подобные цепи.

Применение АЦП в звукозаписи

АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM -поток, который будет записан на информационный носитель.

Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц . Многие люди, занятые в этой области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема Котельникова - Шеннона). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi -аудиотехники используется частота дискретизации 44,1 кГц (стандартная для компакт-дисков) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако широкая полоса упрощает и удешевляет реализацию антиалиасинговых фильтров, позволяя делать их с меньшим числом звеньев или с меньшей крутизной в полосе заграждения, что положительно сказывается на фазовой характеристике фильтра в полосе пропускания.

Также избыточная полоса пропускания АЦП позволяет соответственно снизить амплитудные искажения, неизбежно возникающие из-за наличия схемы выборки и хранения. Такие искажения (нелинейность АЧХ) имеют вид sin(x)/x [ ] и относятся ко всей полосе пропускания, поэтому чем меньшая часть полосы пропускания (по частоте) используется (занята полезным сигналом), тем меньше данные искажения.

Аналого-цифровые преобразователи для звукозаписи имеют широкий диапазон цен - от 5 до 10 тыс. долл. и выше за двухканальный АЦП.

АЦП для звукозаписи, используемые в компьютерах, бывают внутренние и внешние. Также существует свободный программный комплекс PulseAudio для Linux, позволяющий использовать вспомогательные компьютеры как внешние ЦАП/АЦП для основного компьютера с гарантированным временем запаздывания.

.

АЦП последовательного приближения разрядностью 8-12 бит и сигма-дельта-АЦП разрядностью 16-24 бита встраиваются в однокристальные микроконтроллеры .

Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвейерные АЦП)

Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта-АЦП).

АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора .

Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в

Большинство датчиков и исполнительных устройств автоматиче­ских систем работает с аналоговыми сигналами. Для ввода таких сигна­лов в ЭВМ их необходимо преобразовать в цифровую форму, т.е. дискретизироватъ по уровню и во времени. Эту задачу решают АЦП. Обрат­ную задачу, т.е. превращение квантованного (цифрового) сигнала в не­прерывный, решают ЦАП.

АЦП и ЦАП являются основными устройствами ввода-вывода ин­формации в цифровых системах, предназначенных для обработки анало­говой информации или управления каким-либо технологическим процес­сом.

Важнейшие характеристики АЦП и ЦАП:

1) Вид аналоговой величины, являющейся входной для АЦП и выходной для ЦАП (напряжение, ток, временной интервал, фаза, частота, угловое и линейное перемещение, освещенность, давление, темпе­ратура и т.п.). Наибольшее распространение получили преобразо­ватели, в которых входной (выходной) аналоговой величиной явля­ется напряжение, т.к. большинство аналоговых величин сравни­тельно легко преобразуются в напряжение.

2) Разрешающая способность и точность преобразования (разре­шающая способность определяется количеством двоичных разрядов кода или возможным количеством уровней аналогового сигна­ла, точность определяется наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от цифрового и наоборот).

3) Быстродействие, определяемое интервалом времени от момента подачи сигнала опроса (запуска) до момента достижения выход­ным сигналом установившегося значения (ед. микросекунд, десят­ки наносекунд)

В любом преобразователе выделяют цифровую и аналоговую части. В цифровой производятся кодирование и декодирование цифровых сигна­лов, их запоминание, счет, цифровое компарирование (сравнение), выра­ботка логических сигналов управления. Для этого используют: дешифра­торы, мультиплексоры, регистры, счетчики, цифровые компараторы, логические элементы.

В аналоговой части преобразователя производятся операции: усиле­ния, сравнения, коммутации, сложения и вычитания аналоговых сигна­лов. Для этого используются аналоговые элементы: ОУ, аналоговые ком­параторы, ключи и коммутаторы, резистивные матрицы и т.д.

Преобразователи выполняются в виде цифровых и аналоговых ИМС или БИС.

Строятся на основе, представления любого двоичного числа X в виде суммы степеней числа два.

Схема преобразования четырехраз­рядного двоичного числа

Х=Х3*2 3 +Х2*2 2 +X1*2 1 +Х0 *2 0

В пропорциональное ему напряжение.

X i =0 или 1. Для ОУ

К= –U вых /U оп =R oc /R

R – общее сопротивление параллельно включенных ветвей, в которых были замкнуты ключи X.

U оп =U c – опорное напряжение, подаваемое на вход ОУ через R.

R oc – сопротивление ОС.

Х=8Х3+4Х2+2Х1+1Х0, U вых =U оп *R oc /R o (8X3+4X2+2X1+lX0)

U вых =(–U оп *R oc /R o)*Х; –U o п *R oc /R 0 =K – коэффициент пропорцио­нальности, для каждой схемы величина постоянная.

- для нашей схемы.

Для увеличения числа разрядов необходимо увеличивать число рези­сторов (R о /16; R o /32 и т.д.), при отличии резисторов в 1000 раз точ­ность снижается.

Для устранения этого недостатка в многоразрядных ЦАП весовые коэффициенты каждой ступени задают последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы. (R-2R)

По такому принципу построена схема 10-разрядного интегрального ЦАП типа К572ПА1 выполненного по КМОП технологии.

Достоинства: малая потребляемая мощность, высокое быстродей­ствие не более 5мкс., хорошая точность.

на каждый резистор 2R 2 МДП транзистора, подключаемые 1 и 0 (через инвертор). Четные (вх=1) соед. с вых. 1

Нечетные (вх=0) соед, с вых. 2

По способу преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

В последовательных АЦП преобразование аналоговой величины в цифро­вой код идет ступеньками (шагами), последовательно приближаясь к измеряемому напряжению.

Достоинство: простота; недостаток: низкое быстродействие.

В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивают с Х– опорными напряжениями. При этом результат получается за один шаг, но необходимы большие аппаратурные затраты.

Быстродействие; недостаток: сколько опорных напряжений, столько компараторов.

Входное напряжение	Состояние компаратора	Двойное число
U c , U	7 6 5 4 3 2 1	2 1 0
U c <0,5	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0
U c ≤U c <1,5	0 0 0 0 0 0 1	0 0 1
1,5≤U c <2,5	0 0 0 0 0 1 1	0 1 0
2,5≤U c <3,5	0 0 0 0 1 1 1	0 1 1
3,5≤U c <4,5	0 0 0 1 1 1 1	1 0 0
4,5≤U c <5,5	0 0 1 1 1 1 1	1 0 1
5,5≤U c <6,5	0 1 1 1 1 1 1	1 1 0
6,5≤U c	1 1 1 1 1 1 1	1 1 1

Процесс преобразования непрерывного сигнала в код состоит из квантования и кодирования.

Квантование – это представление непрерывной величины в виде конечного числа дискретных значений (например, уровней потенциалов), а кодирование – это перевод комбинаций дискретных значений в двоичные числа для обработки информации в ЭВМ.

Из входных устройств преобразующих аналоговые величины в соответствующие коды двоичных чисел комбинаций, интерес представляют устройства типа напряжение-число.

Рассмотрим:

bc = t∙tg α =>

Входное напряжение преобразуется в промежуточную величину «интервал времени», которая в свою очередь преобразуется в цифровой код (временная система кодирования).

Входное напряжение U вх сравнивается с пилообразным напряжением U п изменяющимся по линейному закону.

Отрезки b 1 c 1 , b 2 c 2 , b 3 c 3 представляют собой дискретное значение входного напряжения. Интервал от начала сравнения до момента равенства напряжений U вх = U п является катетом треугольника с углом наклона α. Все три треугольника подобны, следовательно, tg α = const. Поэтому можно сказать, что отрезки bc в каком-то масштабе пропорциональны соответствующему интервалу времени t. Следовательно измерение дискретных значений напряжений можно заменить измерением пропорциональных отрезков времени, заменяемых двоичным числом.

ГСИ – генератор синхроимпульсов;

И – схема совпадений (логическое умножение);

Сч – счетчик;

Т – триггер;

ДИ – датчик импульсов;

ГПИ – генератор пилообразных импульсов;

= – схема сравнения или компаратор;

ГСИ вырабатывает серию импульсов определенной частоты, определяющий частоту преобразования, импульсы поступают на вход счетчика через схему И, которой управляет триггер. При нулевом состоянии триггера на выходе схемы И – 0 и на вход счетчика импульсы не поступают. Начало временного интервала формирует управляющий импульс УИ, устанавливающий триггер в 1 и определяющий начало отсчета импульсов в счетчике.

Uп

Uвх

ГСИ

Конец временного интервала задается управляющим импульсом УИ2, который устанавливает триггер в 0, и прекращает поступление импульсов с ГСИ в счетчик. Схема сравнения (аналоговый компаратор) сравнивает преобразованное напряжение U вх с опорным напряжением U п, вырабатываемым ГПИ.

В момент совпадения обоих напряжений единица на выходе компаратора вырабатывает импульс УИ2, устанавливающий триггер в 0, определяющий конец временного интервала.

Число прошедших на счетчик импульсов – это код, пропорциональный дискретному значению преобразованного напряжения.

Точность преобразования определяется точностью сравнения напряжений и положением управляющего импульса относительно импульсов. ГСИ.