12_Аналого–цифровые преобразователи (АЦП) АТСб-22-1

АЦП преобразует входное напряжение в выходной двоичный n-разрядный код. При этом можно выделить два принципиально различных основных метода: параллельное преобразование и последовательное.

В параллельных АЦП входное напряжение U_вх. подаётся на входы (2ⁿ-1) схем сравнения (компараторов), на других входах которых имеются (2ⁿ-1) опорных напряжений. В результате сравнения определяется, между какими уровнями опорных напряжений лежит входное напряжение. При этом результат получается за один шаг. Параллельные АЦП обладают самым высоким быстродействием.

В последовательных АЦП результат не может быть получен за один шаг. Основные типы последовательных АЦП: а) с единичным приближением, основанные на уравновешивании входного напряжения суммой минимальных по весу эталонов (квантов); б) с двоично-взвешенным приближением, в которых уравновешивание входного напряжения осуществляется суммой до n эталонов, взвешенных по двоичному закону; в) с промежуточным преобразованием входного напряжения в интервал времени или частоту; г) с интегрирующим преобразованием, использующим в процессе преобразования интегрирование входного напряжения в течение фиксированного интервала времени.

На рис. 1а показана передаточная характеристика АЦП. Так как выходной цифровой код может принимать только дискретные значения, а входное напряжение любые, в процессе преобразования неизбежны систематические ошибки, которые называются ошибками квантования.

Ошибка квантования d_к. определяется как разность между аналоговым напряжением, которое соответствует выходному цифровому код, и действительным значением входного напряжения. На рис. 1б приведён график ошибки квантования d_к., соответствующий передаточной характеристике на рис. 1а. Максимальная ошибка квантования d_к. равна весу младшего значащего разряда выходного кода (1 МЗР).

Максимальна ошибка квантования d_к. может быть уменьшена до ±0,5 МЗР при искусственном смещении входного напряжения на U_+0,5МЗР, напряжение пропорциональное +0,5 МЗР, или опорного напряжения U_оп., с которым сравнивается входное напряжение, на U_-0,5МЗР.. Передаточная характеристика, полученная при смещении опорных напряжений на U_-0,5МЗР., показана на рис.1в, а соответствующее этому смещению распределение d_к. – на рис. 1г.

Рис. 1. Передаточная характеристика АЦП (а) и ошибка квантования (б) без сдвига U_оп. на U_-0,5МЗР.; передаточная характеристика АЦП (в) и

ошибка квантования со сдвигом U_оп. на U_-0,5МЗР.; передаточная характеристика АЦП с ошибкой линейности d_л (д)

Кроме ошибки квантования d_к. имеются ошибки, обусловленные схемой. Если соединить середины ступеней идеальной ломаной линии передаточной характеристики, показанной
на рис. 1 в, то получится прямая, исходящая из начала координат (штриховая линия). В реальных АЦП эта прямая не проходит через нуль (ошибка сдвига d_сдв.), а её наклон отличается от наклона идеальной прямой (ошибка усиления d_у.). Обе эти ошибки можно исключить стабилизацией нуля и полного отклонения, однако останутся ошибки вследствие дрейфа параметров и их нелинейности.

Систематическая ошибка квантования может привести к нелинейности в случае, когда ступени не равны. При определении ошибки линейности d_л. сначала корректируют положение нуля и усиление, а затем находят максимальное отклонение входного напряжения от идеальной прямой (рис 1 д). Эта величина за вычетом ошибки квантования 0,5 МЗР представляет суммарную нелинейность d_л.с..

Другой мерой ошибки линейности является дифференциальная нелинейность d_д., отражающая, на сколько в единицах напряжения ширина отдельной ступени отличается от заданного значения напряжения, приходящегося на 1 МЗР. Если эта ошибка превышает 1 МЗР, то при преобразовании некоторые значения кода окажутся пропущенными.