Аналого-цифровые преобразователи. Общие сведения, основные параметры и классификация. Функциональное обозначение АЦП

9. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 9. 1. Общие сведения, основные параметры

                 и классификация

Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называется устройство, предназначенное для автоматического преобразования аналогового  сигнала  в  эквивалентный цифровой код для работы с ЭВМ или другими цифровыми устройствами. Обозначение АЦП на функциональных схемах показано на рис. 9. 1. АЦП имеет аналоговый вход DI, на который подается входной сигнал u(t) и цифровой выход, на котором формируется n – разрядный  код Х. АЦП также могут иметь вспомогательные  входы и выходы. Например, вход С для подачи тактовых импульсов ТИ, вход ST для подачи сигнала начала преобразования ПУСК, а также выход DR для выдачи сигнала КП (конец преобразования или  готовность данных).

Рис. 9. 1. Функциональное обозначение АЦП

Процесс АЦ -преобразования в общем случае сводится к выполнению ряда операций над аналоговым сигналом:  дискретизации во времени, квантования по амплитуде и  кодирования.

В наиболее общем случае АЦП содержит следующие  основные  узлы (рис. 9. 2):  устройство дискретизации УД,  устройство квантования УК и кодирующее устройство КУ.

Рассмотрим назначение  отдельных  узлов.  УД предназначено для дискретизации во времени аналогового сигнала, при которой непрерывная  функция времени u(t) (рис. 9. 3) преобразуется в последовательность дискретизированных во времени значений u (t_i ), определенных только в моменты дискретизации t_i. Промежуток времени Δt между двумя соседними  моментами  дискретизации  называется периодом или шагом дискретизации. При уменьшении периода дискретизации точность воспроизведения непрерывного сигнала u(t) последовательностью дискретизированных значений u(t_i ) возрастает.

Рис. 9. 2. Обобщенная структурная схема АЦП

Максимально допустимое значение  Δt, необходимое для восстановления  исходного  сигнала u(t) по его дискретизированным отсчетам u(t_i ) выбирается по известной теореме отсчетов

где     f_max - максимальная частота в спектре преобразуемого сигнала.

УК предназначено  для  преобразования  непрерывной по величине дискретизированной последовательности u(t_i ) в квантованную . При квантовании дискретизированные значения u(t_i )  заменяются приближенными . Точность квантования определяется шагом квантования DU. При заданном диапазоне изменения входного сигнала  D число уровней квантования m выбирается исходя из заданной погрешности квантования

Приведенная погрешность квантования равна

КУ предназначено  для  преобразования  квантованной последовательности  в эквивалентный цифровой код X. В АЦП используются  те  же коды,  что и в ЭВМ,  с которыми они работают совместно в различных системах обработки информации. Это, как правило, разновидности двоичного кода:  прямой,  прямой со знаковым разрядом,  смещеный, дополнительный, а также двоично-десятичные. 

Рис. 9. 3. Иллюстрация процессов аналого-цифрового преобразования

На  рис. 9. 3 поясняется кодирование квантованного сигнала  прямым двоичным кодом. При быстрых  изменениях  входного сигнала  u(t)  в структуру АЦП дополнительно вводится устройство хранения УХ,  предназначенное для запоминания дискретизированного сигнала  u(t_i )   в течении некоторого времени t_xp достаточного для выполнения операций квантования и  кодирования.  В АЦП операции дискретизации и хранения могут быть совмещены в устройствах выборки-хранения УВХ.

Приведенная на рис. 9. 2 обобщенная структурная схема АЦП не является строгой. В зависимости от методов преобразования структура и связи между ее элементами могут меняться.

АЦП являются достаточно сложными устройствами и характеризуются совокупностью статических и динамических параметров. К основным статическим характеристикам относятся разрешающая способность, интегральная и дифференциальная нелинейности преобразования. Разрешающая способность АЦП определяется как величина обратная количеству уровней квантования m, которое в свою очередь зависит от числа разрядов n:

Разрешающая способность может оцениваться как в относительных, так и в абсолютных величинах. Так, например, для 10-разрядного АЦП с максимально допустимым диапазоном изменения   входного напряжения 10 В разрешающая способность равна приблизительно 0,1 % или 10 мВ.

При линейном изменении напряжения на входе АЦП код на его выходе должен также изменяться по линейному закону. При этом, всякое отклонение от линейности приводит к погрешности преобразования. Интегральная нелинейность определяется как максимальное отклонение от линейности во всем диапазоне преобразования. Дифференциальная нелинейность определяется как разность напряжений для двух смежных уровней квантования.

Динамические свойства АЦП оцениваются временем преобразования      и максимальной частотой дискретизации. Под временем преобразования Т_пр понимают интервал времени от начала преобразования до появления на выходе установившегося  цифрового кода входного сигнала. Максимальная частота дискретизации f_пр - это предельная частота,  с которой можно вести преобразование сигнала при заданной погрешности преобразования.

К параметрам АЦП относятся также диапазон преобразуемых сигналов, входное сопротивление, параметры выходных цифровых сигналов, напряжение питания, потребляемая мощность и др.

Как отмечалось выше, процесс аналого-цифрового преобразования связан с выполнением ряда  операций  (дискретизации,  квантования и кодирования), которые во времени и в пространстве могут производиться  последовательно, параллельно и параллельно-последовательно. В соответствии с этим различают три метода АЦ -преобразования: