Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 34

Рис. 3.66. АЦП последовательного приближения без обратной связи, с уменьшением вдвое опорного напряжения в каждой следующей ячейке.

,По этой причине более предпочтительным является другой метод преобразования, основанный на удвоении измеряемого напряжения, который лучше предыдущего. Схематически такой АЦП изображен на рис. 3.67. Первая ячейка, в которой вычисляется бит а_п, работает точно так же, как в первом случае. Однако теперь остающееся напряжение усиливается в 2 раза, а опорное напряжение величиной V_max /2 остается одним и тем же для всех ячеек. Это означает, что компараторы работают приблизительно с одинаковыми уровнями напряжения во всех п+1 ячейках. Часто вместо п+1 одинаковых ячеек используют единственную ячейку с двумя аналоговыми (емкостными) элементами памяти. На одном из конденсаторов запоминается и хранится выборка входного напряжения данной ячейки преобразователя, а на другом конденсаторе запоминается разностное напряжение (выходное напряжение этой ячейки). Осуществляя с помощью переключателей обмен содержимым между этими двумя элементами памяти, можно одну и ту же ячейку использовать последовательно п+1 раз. Такой метод называется «рециркуляцией остатка».

Во все большем и большем числе приложений требуются быстродействующие АЦП. Самый быстрый из возможных методов преобразования представлен на рис. 3.68. Входное напряжение V_Aсравнивается одновременно с большим числом различных опорных напряжений. Логическая схема преобразует выходные сигналы компараторов в двоичное представление числа D= (a_na_n-1a₀). Очевидно, что для (n+1)-битового преобразования в таком «мгновенном» преобразователе требуется 2ⁿ⁺¹-1 компараторов. Этот метод быстрый, но

Рис. 3.68. Схема так называемого «мгновенного» АЦП (параллельный преобразователь).

Основная идея проста. 8-битовый преобразователь разбивается на два 4-битовых «мгновенных» преобразователя, каждый из которых содержит лишь по 15 компараторов. Верхний на рис. 3.69 АЦП обеспечивает только грубое преобразование, дающее 4 старших бита. Напряжение с выхода ЦАП, соответствующее этим 4 битам, вычитается из напряжения выборки входного сигнала V'_A. Напряжение разности, представляющее собой большую ошибку квантования в первом АЦП, усиливается в 2⁴ = 16 раз и поступает на вход другого АЦП, аналогичного первому. Этот второй АЦП формирует 4 младших разряда 8-битового преобразования. Объем такого АЦП значительно сокращен по сравнению с полным «мгновенным» преобразователем (от 255 до 2*15 компараторов) за счет уменьшения скорости преобразования.

Рис. 3.69. Принцип действия так называемого «двухступенчатого» или «конвейерного» АЦП.

Мы рассмотрели только самые важные типы ЦАП и АЦП. Существует гораздо большее число различных методов аналого-цифрового преобразования. В параграфе 4.3 мы рассмотрим несколько вариантов интегрирующих аналого-цифровых преобразователей, поскольку они часто применяются в цифровых вольтметрах, главным образом, потому, что обеспечивают хорошее подавление помехи в виде фона, возникающего в линии.

Как было объяснено (см. рис.3.63), у АЦП возникают ошибки квантования, присущие всем преобразователям сигнала с конечным разрешением по амплитуде. Однако имеются и другие ошибки, которые также следует принимать во внимание.

Рис. 3.70 служит иллюстрацией двух типов ошибок, а также влияния, которое они оказывают на результирующую ошибку Е. На рис. 3.70(а) показан вид передаточной характеристики АЦП со смещением нуля. Эта ошибка обусловлена напряжениями смещения и токами смещения операционных усилителей, применяемых в преобразователях. Результирующая полная ошибка Е включает в себя ошибки квантования и смещения.

Другая разновидность ошибки, показанная на рис. 3.70(с), проявляется в том случае, когда чувствительность АЦП, например, слишком велика. Самыми нежелательными ошибками в АЦП являются ошибки, вызываемые нелинейностю. Некоторые виды таких ошибок показаны на рис. 3.71. Нелинейности, изображенные на рис. 3.71 (а) и (b), возникают из-за отклонения от номинальных значений сопротивлений резисторов, определяющих вклад различных битов в результирующую величину на выходе ЦАП. Очень опасный вид нелинейности показан на рис. 3.71(с) и (d). Здесь отклонение сопротивлений резисторов настолько велико (или один из переключателей не срабатывает), что одно или несколько возможных значений сигнала на цифровом выходе оказываются совсем пропущенными. Иногда такую ошибку называют «пропуском бита». Как показано в верхней части характеристики на рис. 3.71(с), подобного рода ошибки могут происходить из-за так называемой погрешности в монотонности. Такая ошибка особенно опасна в системах с обратной связью. Сначала с ростом V_Аувеличивается также и D, но в некоторой точке вблизи ошибки в монотонности Dначинает уменьшаться. В результате этого изменяется полярность обратной связи (происходит сдвиг по фазе на 180°), переводя отрицательную обратную связь в положительную. Такого рода чрезмерная нелинейность может вызвать неустойчивость систем с автоматическим управлением.

Рис. 3.70. (а) Передаточная характеристика АЦП с ошибкой смещения. (b) Эквивалентная ошибка цифрового выхода Е в таком АЦП как функция входного напряжения V_A. (с) Передаточная характеристика АЦП с ошибкой в чувствительности или в масштабном множителе. (d) Ошибка цифрового выхода Е в таком АЦП в зависимости от входного напряжения V_A.

Рис. 3.71. (а) АЦП с нелинейной передаточной характеристикой. (b) Соответствующая ошибка цифрового выхода Е. (с) АЦП с пропуском бита и немонотонностью передаточной характеристики, (d) Ошибка на выходе такого АЦП.