9.20. Аналого-цифровые преобразователи
Макеты страниц
Можно насчитать с полдюжины основных способов А/Ц-преобразования, каждый из которых обладает своими преимуществами и ограничениями.
Поскольку вы обычно применяете готовые А/Ц-модули или ИС, а не разрабатываете их сами, мы по возможности кратко опишем различные способы преобразования главным образом для того, чтобы помочь сделать квалифицированный выбор для конкретного применения.
В следующем разделе этой главы мы покажем несколько типовых приложений А/Ц-преобразования. В гл. 11 рассмотрим некоторые АЦП, использующие точно такие же методы преобразования, но выходы которых просто сопрягаются с микропроцессорами.
Параллельное кодирование. В этом методе напряжение входного сигнала подается на один из входов п компараторов одновременно; другие входы компараторов подключены к п опорным источникам с равномерно распределенными напряжениями. Шифратор с приоритетом формирует цифровой выходной сигнал, соответствующий самому старшему компаратору из активизированных входным сигналом (рис. 9.49).
Рис. 9.49. Параллельно кодированный АЦП.
Параллельное кодирование (иногда называемое «мгновенным» кодированием) — это самый быстрый метод А/Ц-преобразования. Время задержки от входа до выхода равно сумме времен задержки на компараторе и шифраторе. Параллельные преобразователи, выпускаемые промышленностью, имеют от 16 до 1024 уровней квантования (с выходами от 4 до 16 разрядов).
При большем числе разрядов они становятся дорогими и громоздкими. Быстродействие их колеблется от 15 до . отсчетов в секунду. Типовым мгновенным АЦП является фирмы TRW, это биполярный -разрядный преобразователь на .
отсчетов в секунду в -выводном корпусе, цена которого составляет фирма IDT выпускает преобразователь , КМОП-эквивалент с улучшенными техническими данными.
Существует вариант простого параллельного шифратора, так называемый полумгновенный шифратор, в котором используется двухступенчатый процесс.
В этом процессе осуществляется мгновенное преобразование входа до половинной заданной точности; внутренние ЦАП вновь преобразуют приближенное значение в аналоговую величину, а разность между ней и входной величиной подвергается мгновенному преобразованию для получения младших значащих разрядов (рис. 9.50).
Описанный способ лежит в основе дешевых преобразователей, которые обладают самым высоким быстродействием среди всех остальных, за исключением полностью мгновенных преобразователей. Он используется в недорогих преобразователях типа -разрядных (Analog Devices).
Целесообразно рассмотреть возможность использования мгновенных шифраторов в области преобразования колебаний в цифровую форму, даже при сравнительно низкой скорости преобразования; их быстродействие (точнее, малый апертурный интервал, в течение которого фиксируется выход компаратора) гарантирует, что входной сигнал за время преобразования существенно не изменится. Альтернативный вариант (более медленные преобразователи мы опишем ниже) обычно требует применения аналоговой схемы квантования и запоминания для того, чтобы зафиксировать входное колебание на время преобразования.
Последовательное приближение
В этом распространенном способе осуществляется опробование различных выходных кодов путем подачи их на ЦАП и сравнения результата с аналоговым входом с помощью компаратора (рис. 9.51). Обычно процесс начинается с установки всех разрядов в «0».
Затем, начиная со старшего значащего разряда, каждый разряд по очереди временно устанавливается в «1». Если выходное напряжение ЦАП не превышает напряжения входного сигнала, то этот разряд остается в состоянии «1», в противном случае он возвращается в «0».
Рис. 9.50.
Полупараллельный АЦП.
Рис. 9.51. АЦП с последовательной аппроксимацией.
Для n-разрядного АЦП потребуется n таких шагов. Происходящий процесс можно описать как процесс бинарного поиска, начинающегося с середины. АЦП-модуль с последовательным приближением имеет вход «Начало преобразования» и выход «Конец преобразования». Цифровой выход всегда выдается в параллельной форме (все разряды сразу по n отдельным выходным линиям), а иногда и в последовательной форме (n последовательных выходных битов, начиная с СЗР, по одной выходной линии).
Рис. 9.52. Сигналы при -битовой последовательной аппроксимации. (С разрешения П. Эмери, Р. Ловетта и К. Рудина.) а — аналоговый выход, сходящийся к конечному значению; обратите внимание на синхроимпульсы; б — полное «дерево».
В нашем курсе по схемотехнике студенты конструируют АЦП с последовательным приближением в полном объеме вместе с ЦАП, компаратором и управляющей логикой.
На рис. 9.52, а показано восемь импульсов синхронизации и выходные сигналы на ЦАП, следующие друг за другом по мере того как аналоговый выход, подвергаемый проверке, сходится к входному напряжению. На рис. 9.52, б показано полное -разрядное прекрасная картинка, которую вы можете получить, наблюдая за выходом ЦАП, при подаче на вход медленно меняющегося линейного напряжения по всему диапазону входного аналогового сигнала.
АЦП с последовательным приближением являются сравнительно точными и быстрыми и требуют всего n установок на ЦАП для обеспечения -разрядной точности. Типичное время преобразования колеблется в диапазоне от до при точности от 8 до 12 разрядов; цена его составляет 10-400 долл.
Этот тип преобразователя работает на коротких выборках из входного напряжения и если его входной сигнал меняется во время преобразования, то ошибка не превышает величину происходящего за это время изменения; однако выбросы на входном сигнале катастрофичны.
Несмотря на общую вполне допустимую точность, эти преобразователи могут иметь довольно необычные нелинейности и «пропущенные коды».
Фирма National Semiconductor в своих преобразователях серии для исключения пропущенных кодов использует хитроумный прием: вместо многозвенного ЦАП используются цепочка из резисторов и аналоговые ключи (рис. 9.53); эта схема генерирует проверочные аналоговые напряжения по типу мгновенного шифратора.
Существует вариант АЦП этого типа, известный как «следящий АЦП», в котором для формирования последовательных проверочных кодов используется реверсивный счетчик; он сравнительно медленный, если учитывать скачки входного сигнала, но быстрее отслеживает плавные изменения, чем преобразователь с последовательным приближением.
Преобразование напряжения в частоту. В данном методе входное аналоговое напряжение преобразуется в выходную импульсную последовательность, частота которой пропорциональна входному напряжению. Это можно осуществить простым зарядом конденсатора током, пропорциональным входному уровню, и последующим его разрядом при достижении заранее установленного порога.
Рис. 9.53. ЦАП на основе резисторной лестничной цепи и дерева коммутаций: без пропуска кодов.
Для повышения точности обычно применяют обратную связь. По одному из способов выход схемы частота-напряжение сравнивается с входным аналоговым уровнем и осуществляется генерация импульсов на частоте, которая позволяет выравнять входные уровни компаратора. В более распространенных методах используется так называемый прием «выравнивания зарядов»; позже мы опишем это более подробно (в частности, метод «распределения заряда, накопленного на конденсаторе»).
Обычно частоты на выходе схемы напряжение-частота находятся в диапазоне от до 1 МГц (последнее значение для максимального входного напряжения). Выпускаются коммерческие преобразователи напряжения в частоту с разрешающей способностью, эквивалентной 12 разрядам (точность ). Например, превосходный пребразователь фирмы Analog Devices (разд. 5.15) имеет типовую нелинейность 0,002% при работе от 0 до .
Он не дорогой и очень удобен для случаев, когда выходной сигнал должен передаваться в цифровом виде по кабелю или когда требуется выходная частота (а не цифровой код). Если скорость не играет большой роли, то путем подсчета выходной частоты за фиксированный интервал времени можно получить число в цифровом представлении, пропорциональное среднему входному уровню.
Этот способ широко используется в цифровых измерительных приборах средней точности (3 цифры).
Одностадийное интегрирование
В этом способе в начале преобразования запускается внутренний генератор линейного напряжения и одновременно для подсчета импульсов стабильного генератора тактовых импульсов счетчик. Когда линейно меняющееся напряжение сравнивается с входным уровнем, компаратор останавливает счетчик; результат на счетчике будет пропорционален входному уровню, т. е. это и есть цифровой выход.
Принцип работы представлен на рис. 9.54.
В конце преобразования схема разряжает конденсатор и сбрасывает состояние счетчика; преобразователь готов к очередному циклу преобразования.
Способ одностадийного интегрирования достаточно прост, но он не используется, если необходима высокая точность, поскольку в этом случае выдвигаются слишком жесткие требования к стабильности и точности конденсатора и компаратора.
Рис. 9.54. Одностадийный АЦП.
Метод «двухстадийного интегрирования» позволяет избавиться от этих проблем; в настоящее время его обычно применяют, если требуется высокая точность.
Одностадийное интегрирование все еще живет и благоденствует особенно, в тех областях, где не требуется абсолютная точность, а необходимо преобразование с хорошей разрешающей способностью и одинаковыми промежутками между смежными уровнями. Хорошим примером является применение для анализа амплитуд импульсов (см. разд. 15.
16), где амплитуда импульса фиксируется с помощью пикового детектора и затем преобразуется в некоторый адрес. Существенную роль здесь играет равенство ширины каналов, поэтому применение преобразователя с последовательным приближением было бы в общем случае неудобно.
Способ одностадийного интегрирования используется также при преобразовании временных интервалов в амплитуду.
Источник: http://scask.ru/b_book_shem2.php?id=90
Высокоскоростные АЦП способствуют продвижению приложений с более широкой полосой пропускания
Расширение сетей беспроводной передачи данных с использованием все более высоких несущих частот и скоростей передачи данных ставит все более актуальные задачи усовершенствования оцифровки сигналов.
Это означает, что возрастает спрос на более усовершенствованные аналого-цифровые преобразователи АЦП. Для удовлетворения современных требований появились аналого-цифровые преобразователи с частотой дискретизации более 1 ГГц.
В данной статье будет рассматриваться использование более быстрых АЦП при разработке новых приложений, а также при модернизации старых.
Вспоминаем правило Найквиста
При выборе аналого-цифрового преобразователя для высокочастотного устройства следует помнить, что частота дискретизации АЦП должна быть в два или более раза выше пропускной способности сигнала, подлежащего оцифровке. Такую частоту дискретизации называют частотой Найквиста.
Обратите внимание, что используется термин «пропускная способность», а не «частота». Если входной сигнал отличен от синусоиды, то он считается комплексным. Например, импульс, который состоит из основной синусоиды и кратных гармоник в соответствии с теоремой Фурье.
Модулированные сигналы также содержат широкий диапазон частот, которые необходимо учитывать при выборе частоты дискретизации.
Рассмотрим прямоугольную волну, состоящую из основной частоты синусоидальной волны и бесконечного числа нечетных гармоник. Для прямоугольного сигнала с частотой 300 МГц частота дискретизации АЦП должна быть как минимум в два раза больше частоты пятой гармоники, или 3 ГГц. Более сложные сигналы, такие как радарные или модулированные сигналы, требуют аналогично высоких темпов обработки, чтобы точно улавливать все детали сигнала.
Примером может послужить приемное устройство станции обработки LTE Advanced сигналов, которые используют агрегацию носителей для более высокой пропускной способности и увеличения скорости передачи данных. Несколько стандартных 20 МГц LTE каналов группируют для обеспечения 40-, 80-, 160 МГц полосы пропускания, чтоб обеспечить более высокую пропускную способность OFDM.
Применение высокоскоростных АЦП в различных системах
В основном высокоскоростные АЦП применяются в программно-определяемых устройствах радиосвязи (SDR). Большинство современных SDR используют архитектуру прямого преобразования (zero IF), в которой входной сигнал оцифровывается непосредственно уже после фильтрации и усиления. При работе с сигналами дециметровой или высокой частоты (ДМВ или СВЧ) аналого – цифровой преобразователь должен иметь высокую частоту дискретизации. Один из примеров – сотовый приемник базовой станции.
Также высокоскоростные АЦП могут применятся и в других системах, таких как системы РЭБ (радиоэлектронной борьбы), записывающих RF системах, в радиолокационном оборудовании. Очень часто применяют высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи и в измерительной технике, оборудовании рефлектомерии (OTDR). Является важной частью приемников цифровых предыискажений, используемых в линейных радиочастотных усилителях мощности.
Пример современного высокоскоростного АЦП
Примером современного высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя может послужить ADC32RF45 Texas Instruments. Это двухканальный АЦП с разрешением 14 бит и конвейерной архитектурой. Максимальная частота дискретизации составляет 3Гвыборки/с и подходит для приемников прямого преобразования RF беспроводных сетей в популярных сотовых диапазонах от 1700 МГц до 2000 МГц.
Пропускная способность задается частотой дискретизации деленной на два и для данного АЦП максимальная пропускная способность составит 1,5 ГГц. В цепи сигнала могут устанавливаться фильтры и усилители сигналов. Также данный аналого-цифровой преобразователь имеет свободный от паразитных составляющих диапазон (SFDR) 75 дБ, отношение сигнал/шум (SNR) 61,5 дБ и уровень шумов –155 dBFS/Гц.
Ниже показана блок схема ADC32RF45 Texas Instruments используемая в SDR приемниках прямого преобразования:
Входной полосовой фильтр выбирает требуемый сигнал, малошумящий усилитель усиливает его, после чего сигнал попадает на цифровой усилитель с переменным коэффициентом усиления, который обеспечивает надлежащий уровень входного сигнала для аналого-цифрового преобразователя. Внеполосные фильтры предотвращают наложения спектров. АЦП работает с внешним синтезатором PLL и очистителем джиттера. Он подключается к процессору DSP с помощью интерфейса JESD2048.
Среди продуктов, которые используют ADC32RF45, присутствуют и Pentek’s FlexorSet Software Radio Modules. Данные модули разработаны для помощи инженерам при проектировании специализированного оборудования связи и для проведения экспериментов с различным оборудованием SDR. Модули предлагают два канала АЦП и два канала ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Xilinx FPGA с внутренним программным обеспечением для сбора данных и генерации сигнала ЦАП облегчает проведение экспериментов.
Требования при проектировании
Наиболее важным этапом проектирования с применением ADC32RF45 будет правильный подбор элементов входной цепи. В частности, сглаживающие внеполосные фильтры должны соответствовать входному сопротивлению АЦП. Это имеет важное значение для обеспечения максимума в полосе плоскостности фильтра и желательно вне зоны отторжения.
Для упрощения проекта рекомендуется использовать S параметры (параметры рассеивания). S-параметры в частотной области связанны с величинами моделирования поведения радиочастотных схем и компонентов.
Эти комплексные значения, как правило, представлены в матричной форме, которой можно манипулировать, чтобы проиллюстрировать поведение и производительность схем и компонентов.
Они предпочтительнее при проектировании систем связанных с линиями передач, фильтров и других высокочастотных устройств.
Кроме того, полная эталонная конструкция с модулем оценки (EVM) поможет ускорить и упростить процесс проектирования.
Источник: https://elenergi.ru/vysokoskorostnye-acp-sposobstvuyut-prodvizheniyu-prilozhenij-s-bolee-shirokoj-polosoj-propuskaniya.html
Относятся к преобразователям типа напряжение-код. Аналогово-цифровыеИС обозначаются ПВ или Λ/#.
Существует два основных метода преобразования напряжения в код:
1) АЦП с применением ЦАП. К нимотносятся АЦП последовательного счёта. Характеризуются средним быстродействием.Время преобразования аналогового сигнала в выходной цифровой, tпр=30170 мкс.
2) АЦП без применения ЦАП. ЭтоАЦП двойного интегрирования и АЦП параллельного преобразования.
4.3.3.1. АЦП последовательного счёта
Структурная схема АЦП последовательного счёта и его выходная характеристикаприведены на рис. 4.20, а и б.
На рис. 4.20, а выходное напряжение ЦАП
, (4.38)
где m – разрядность ЦАП; {y1уm} – логические переменныепоступающие на вход ЦАП с выхода двоичного счётчика СТ2; К — коэффициентусиления компаратора ; Е0 – опорное напряжение ЦАП.
На рис. 4.20, б Uшк – напряжение шкалы,соответствующее максимальному значению входного сигнала;
высота ступени,
, (4.39)
где N – число тактовсинхрогенератора по входу синхронизации (Синхр.).
4.3.3.1.1. Принцип действия АЦП последовательногосчёта
Напряжение входного аналогового сигнала Uвх=Асравнивается с напряжением, поступающим с выхода внутреннего ЦАП, Х(t).
ЦАП управляется многоразрядным двоичным счётчиком СТ2. Счётчик СТ2запускается в момент начала отсчёта входного аналогового сигнала. Напряжение на выходе ЦАП нарастает ступенчато с шагом . При достижении равенства А=Х(t) содержимое счётчика СТ2 записывается в регистр иявляется цифровым эквивалентом напряжения входного аналогового сигнала. Времяпреобразования
tпр=τ·2N, (4.40)
где τ – время элементарной ступени АЦП(рис. 4.20, б); N – число тактов генераторасинхроимпульсов, запускающего счётчик СТ2; Nmax=m– число разрядов счётчика.
4.3.3.1.2. Алгоритм работы АЦП последовательногосчёта
Структурная схема алгоритма работы АЦП представлена на рис. 4.21.Порядок работы АЦП последовательного счёта следующий.
1. На вход двоичного счётчика СТ2 (рис. 4.20, а) подаютсякоманды R (сброс) и Пуск. Импульсы Синхр. Внешнеготактового генератора начнут увеличивать показания счётчика СТ2. Значения Х(t) выходного напряжения ЦАП возрастают ступенями высотойγ.
2. Компаратор сравнивает разницу ζ=X-A.
3. Если ζ
Источник: http://stud.izhdv.ru/msch/34.htm
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП): назначение, устройство, применение
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.
Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.
Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).
К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП.
Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)−1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10мВ.
Время преобразования tпp — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.
Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.
Ацп с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала
По параллельному методу входное напряжение одновременно сравниваются с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной.
Принцип действия АЦП (рис. 3.93)
При Uвх = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений (U+ − U−) < 0 (U+, U− — напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны −Епит а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Z0, Z1, Z2 устанавливаются нули.
Если Uвх > 0,5U, но меньше 3/2U, лишь для нижнего ОУ (U+ − U−) > 0 и лишь на его выходе появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Z0 = 1, Z2 = Zl = 0.
Если Uвх > 3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.
Посмотрите интересное видео о работе АЦП:
Ацп с последовательным преобразованием входного сигнала
Это АЦП последовательного счета, который называют АЦП со следящей связью (рис. 3.94). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП.
Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП −U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП.
В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.
Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)).
Принцип действия рассматриваемого АЦП рис. 3.95) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Использованы следующие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генератор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик импульсов.
Отмеченный во временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН. Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвх и Uглин. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика.
Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.
Ацп с двойным интегрированием
Такой АЦП реализует метод последовательного преобразования входного сигнала (рис. 3.96). Использованы следующие обозначения: СУ — система управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик импульсов.
Принцип действия АЦП состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения Uвх интегратором на основе ОУ (напряжение Uи на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего — интегрирование опорного напряжения Uоп (Uи меняется от максимальной по модулю величины до нуля) (рис. 3.97).
Пусть время t1 интегрирования входного сигнала постоянно, тогда чем больше второй отрезок времени t2 (отрезок времени, в течение которого интегрируется опорное напряжение), тем больше входное напряжение. Ключ КЗ предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние. В первый из указанных отрезков времени ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут, а во второй, отрезок времени их состояние является обратным по отношению к указанному. Одновременно с замыканием ключа К2 импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч.
Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю.
Напряжение на выходе интегратора по истечении отрезка времени t1 определяется выражением
Uи(t1) = − ( 1/RC) · t1∫0Uвхdt= − ( Uвх · t1 ) / ( R·C)
Используя аналогичное выражение для отрезка времени t2, получим
t2 = − ( R·C/Uоп) ·Uи(t1)
Подставив сюда выражение для Uи(t1), получим t2 =( Uвх / Uоп)·t1 откуда Uвх = Uoa · t2/t1
Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.
Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП — малое быстродействие.
Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 3.3) Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшим — АЦП последовательного преобразования.
Предлагаем посмотреть ещё одно достойное видео о работе и устройстве АЦП:
Источник: https://pue8.ru/silovaya-elektronika/920-analogo-tsifrovye-preobrazovateli-naznachenie-ustrojstvo-primenenie.html
Справочник специалиста в АЦП
Отношение среднеквадратического значения амплитуды сигнала, установленной на 1 дБ ниже полной шкалы преобразования, к сумме среднеквадратических значений всех спектральных компонент, исключая первые 25 гармоник. Измеряется в [дБ].
Коэффициент гармонических искажений (КГИ)
Total Harmonic Distortion (THD)
Отношение суммы среднеквадратических значений первых 25 гармонических составляющих к среднеквадратическому значению амплитуды сигнала, установленной на 1 дБ ниже полной шкалы преобразования. Измеряется в [дБ].
Примечание. В иностранных источниках часто указывается в [dBc], при этом, амплитуда входного сигнала не нормируется.
Реальный динамический диапазон (РДД)
Spurious Free Dynamic Range (SFDR)
Отношение среднеквадратического значения амплитуды сигнала, установленной на 1 дБ ниже полной шкалы преобразования, к среднеквадратическому значению наибольшей спектральной составляющей, которая может быть как гармонической, так и не гармонической составляющей.
Примечание. В иностранных источниках часто указывается в [dBc], при этом, амплитуда входного сигнала не нормируется.
Младший значащий разряд (МЗР)
Least significant bit (LSB)
Минимальное входное напряжение разрешаемое АЦП. Для АЦП с числом N значащих разрядов в выходном регистре значение МЗР равно отношению максимального размаха входного напряжения АЦП к 2N. Измеряется в [В].
Дифференциальная нелинейность
Differential Non-Linearity (DNL)
Дифференциальная нелинейность выходного кода АЦП — это отклонение разности уровней двух аналоговых сигналов, соответствующих последовательной смене кодов АЦП, от значения, соответствующего единице МЗР. Дифференциальная нелинейность равна максимальному значению этой разности на всей передаточной характеристике преобразования. Ее значение меньшее, чем 1 МЗР, гарантирует отсутствие пропадания кода и монотонность характеристики преобразования. Измеряется в [МЗР].
Интегральная нелинейность
Integral Non-Linearity (INL)
Интегральная нелинейность выходного кода АЦП — это максимальная разность между измеренным входным напряжением на передаточной характеристике и идеальным ее значением. Измеряется в [МЗР].
Полоса входного сигнала максимальной амплитуды
Full Power Input Bandwidth (FPBW)
Диапазон частот входного сигнала, при котором основная гармоника, выраженная в цифровом коде после БПФ, уменьшается не более чем на 3 дБ. Измеряется в [Гц].
Число эффективных разрядов (ЧЭР)
Effective Number of Bits (ENOB)
ЧЭР вычисляется по формуле:ЧЭР=(С/[Ш+И]-1,76)/6,02, где С/[Ш+И] — это отношение среднеквадратического значения амплитуды сигнала, установленной на 1 дБ ниже полной шкалы АЦП, к сумме среднеквадратических значений всех спектральных компонент, включая гармоники сигнала. Постоянная составляющая при расчете не учитывается. Безразмерная величина.
Интермодуляционные искажения (ИМИ)
Intermodulation distortion (IMD)
Искажения, возникающие из-за взаимодействия двух и более сигналов на входе АЦП. Причина возникновения искажений — нелинейность передаточной характеристики АЦП. Искажения определяются как отношение мощности одного из входных сигналов к мощности максимальной спектральной компоненты взаимодействия, выражаются в [дБс] относительно несущей или [дБ] относительно полной шкалы АЦП.
Источник: http://www.centeradc.ru/guide/
Что такое АЦП
| Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). Подробнее |
АПЦ — это Аналого-Цифровой Преобразователь. По английски ADC (Analog-to-Digital Converter). То есть специальное устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровой.
АЦП применяется в цифровой технике. В частности, почти все современные микроконтроллеры имеют встроенный АЦП.
Как вы уже наверняка знаете, микропроцессоры (как и компьютерные процессоры) не понимают ничего, кроме двоичных чисел. Из этого следует, что микропроцессор (который является основой любого микроконтроллера) не может напрямую обработать аналоговый сигнал.
Например, если вы создаёте программу для микроконтроллера, которая отслеживает температуру, то микропроцессор должен каким-то образом понять, что, например, напряжение 1В на его аналоговом входе соответствует температуре 10 градусов, а 5В — температуре 100 градусов (это просто пример, пока не обращайте внимание на числа).
Для того, чтобы объяснить это микропроцессору, который, как мы помним, понимает только двоичные числа, используется АЦП, который, как я уже сказал, преобразует аналоговый сигнал в двоичный код. Далее в общих чертах рассмотрим работу АЦП.
Принцип работы АЦП
Итак, мы узнали, что АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Но как он это делает?
Я не буду рассказывать, как это происходит на уровне электронных схем — это тема для электронщиков. Разработчикам же устройств на микроконтроллерах (особенно начинающим), вполне достаточно знать общий принцип работы АЦП, чтобы понимать, как будет работать создаваемое ими устройство и достаточна ли будет точность измеряемого аналогового значения.
Итак, первым делом АЦП должен преобразовать аналоговый сигнал в дискретный. Для чего это нужно?
Как вы уже знаете, аналоговый сигнал — это непрерывный сигнал. То есть такой сигнал может принимать бесконечное количество значений, и ни у какого процессора не хватит “мозгов” для обработки всех этих значений.
Поэтому первая задача АЦП — это разбить измеряемый диапазон на какое-то конечное количество значений.
Например, мы хотим измерить напряжение в диапазоне от 0 до 9 В. Допустим, нам достаточно точности в 1В. Тогда мы разбиваем этот диапазон на 10 значений и получаем, что каждому значению напряжения соответствует такое же число. То есть 0 — это 0 В, 5 — 5 В и т.п.
А как же, например, напряжение 4,3 В? Да никак. Оно просто округляется, и АЦП преобразует его в число 4. Этот простой пример отображён на рисунке ниже.
Возникает вопрос — а как измерять большие напряжения? Или как повысить точность (например, если мы хотим измерять напряжение с точностью до 0,1В)?
Расскажу и об этом, но сначала о разрядности АЦП.
Разрядность АЦП
Разрядность АЦП — это разрядность его выходного сигнала. То есть количество битов в числе, которое получается на выходе АЦП.
Например, 8-разрядный АЦП может выдать 28 = 256 значений — от 0 до 255 (если речь идёт о положительных числах).
Это значит, что измеряемый диапазон (сигнал на входе АЦП или на аналоговом входе микроконтроллера) мы можем разбить на 256 значений. Таким образом мы можем определить точность измеряемого значения, которую может обеспечить данный АЦП. Сделать это можно по формуле:
Х = Д / 2Р
Где Р — это разрядность АЦП, Д — диапазон измеряемых значений, Х — точность (дискретность).
Например, если вам надо измерять напряжение в диапазоне 09В, то Д = 10. А если в диапазоне -515В, то Д = 21 (не забываем про ноль).
Например, если у нас 8-разрядный АЦП, и мы хотим измерять напряжение в диапазоне 0255В, то точность измерений будет:
256 / 28 = 256 / 256 = 1 В
Если же мы хотим измерять напряжение с этим же АЦП в диапазоне 015В, то точность измерений будет:
16 / 28 = 16 / 256 = 0,0625 В
Из этого следует, что для того, чтобы повысить точность, требуется либо сузить диапазон измеряемых значений, либо повысить разрядность АЦП. Например:
256 / 212 = 256 / 4096 = 0,0625 В
То есть 12-разрядный АЦП обеспечит уже довольно высокую точность даже при измерении сигналов с относительно большим диапазоном значений.
Разумеется, измерять можно не только напряжение, но и другие физические величины — это зависит от датчика, который подключен к АЦП. Но для АЦП безразлично, что измерять. Он всего лишь преобразует аналоговый сигнал в цифровой. А о том, как получить аналоговый сигнал нужной формы на входе АЦП, должен позаботиться разработчик устройства на микроконтроллере.
АЦП микроконтроллера обычно измеряет только напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания микроконтроллера.
Характеристики АЦП
АЦП бывают разные, с разными характеристиками. Основная характеристика — это разрядность. Однако есть и другие. Например, вид аналогового сигнала, который можно подключать к входу АЦП.
Все эти характеристики описаны в документации на АЦП (если он выполнен в виде отдельной микросхемы) или в документации на микроконтроллер (если АЦП встроен в микроконтроллер).
Кроме разрядности, о которой мы уже говорили, можно назвать ещё несколько основных характеристик.
Least significant bit (LSB) — младший значащий разряд (МЗР). Это наименьшее входное напряжение, которое может быть измерено АЦП. Определяется по формуле:
1 LSB = Uоп / 2Р
Где Uоп — это опорное напряжение (указывается в характеристиках АЦП). Например, при опорном напряжении 1 В и разрядности 8 бит, получим:
1 LSB = 1 / 28 = 1 / 256 = 0,004 В
Integral Non-linearity — интегральная нелинейность выходного кода АЦП. Понятно, что любое преобразование вносит искажения. И эта характеристика определяет нелинейность выходного значения, то есть отклонение выходного значения АЦП от идеального линейного значения. Измеряется эта характеристика в LSB.
Иными словами, эта характеристика определяет, насколько “кривой” может быть линия на графике выходного сигнала, которая в идеале должна быть прямой (см. рис.).
Абсолютная точность. Также измеряется в LSB. Иными словами, это погрешность измерения. Например, если эта характеристика равна +/- 2 LSB, а LSB = 0,05 В, то это означает, что погрешность измерений может достигать +/- 2*0,05 = +/- 0,1В.
Есть у АЦП и другие характеристики. Но для начала и этого более чем достаточно.
Подключение АЦП
Напомню, что аналоговые сигналы, в основном, бывают двух видов: токовые и напряжения. Кроме того, сигналы могут иметь стандартный диапазон значений, и нестандартный. Стандартные диапазоны значений аналоговых сигналов описаны в ГОСТах (например, ГОСТ 26.
011-80 и ГОСТ Р 51841-2001).
Но, если в вашем устройстве используется какой-то самодельный датчик, то сигнал может и отличаться от стандартного (хотя я советую в любых случаях выбирать какой-нибудь стандартный сигнал — для совместимости со стандартными датчиками и другими устройствами).
АЦП в основном измеряют напряжение.
Попробую рассказать о том (в общих чертах), как подключить аналоговый датчик к АЦП и как потом разобраться с теми значениями, которые будет выдавать АЦП.
Итак, допустим, что мы хотим измерять температуру в диапазоне -40+50 градусов с помощью специального датчика со стандартным выходом 01В. Допустим, что у нас есть датчик, который может измерять температуру в диапазоне -50+150 градусов.
Если температурный датчик имеет стандартный выход, то, как правило, напряжение (или ток) на выходе датчика изменяется по линейному закону. То есть мы можем легко определить, какое напряжение будет на выходе датчика при заданной температуре.
Что такое линейный закон? Это когда диапазон значений на графике выглядит как прямая линия (см. рис.). Зная, что температура от -50 до +150 даёт на выходе датчика напряжение, изменяемое по линейному закону, мы, как я уже сказал, можем вычислить это напряжение для любого значения температуры на заданном диапазоне.
В общем, чтобы в нашем случае диапазон температур преобразовать в диапазон напряжений, нам надо каким-то образом сопоставить две шкалы, одна из которых является диапазоном температур, а другая — диапазоном напряжений.
Определить напряжение по температуре визуально можно по графику (см. рис. выше). Но микроконтроллер глаз не имеет (хотя, конечно, можно поразвлекаться и создать устройство на микроконтроллере, способное распознавать образы и определять значение температуры по напряжению на графике, но оставим эти развлечения фанатам робототехники)))
Первым делом определяем диапазон температур. Он у нас от -50 до 150, то есть 201 градус (не забываем про ноль).
А диапазон измеряемых напряжений — от 0 до 1 В.
То есть в шкалу от 0 до 1 нам надо впихнуть диапазон от 0 до 200 (всего 201).
Находим коэффициент преобразования:
К = U / Tд = 1 / 200 = 0,005 (1)
То есть при изменении температуры на 1 градус напряжение на выходе датчика будет меняться на 0,005 В. Здесь Тд — это температурный диапазон. Не значения температуры, а количество единиц измерения (в нашем случае градусов) на температурной шкале, сопоставляемой со шкалой напряжения (ноль не учитываем для упрощения, так как в диапазоне напряжений тоже есть ноль).
Проверяем характеристики АЦП микроконтроллера, который мы планируем использовать. Значение LSB не должно быть более К (более 0,005 в нашем случае, точнее, это допустимо, если вас устроит погрешность более 1 единицы измерения — более 1 градуса в нашем случае).
По сути К — это вольт на градус, то есть так мы узнали, на какое значение изменяется напряжение при изменении температуры на 1 градус.
Теперь у нас есть все необходимые данные, чтобы в программе микроконтроллера преобразовать значение на выходе АЦП в значение температуры.
Мы помним, что мы сместили диапазон температур на 50 градусов. Это надо учитывать при преобразовании значения на выходе АЦП в температуру.
А формула будет такая:
Т = (U / К) — 50 (2)
Например, если на выходе АЦП 0,5 В, то
Т = (U / К) — 50 = (0,5 / 0,005) — 50 = 100 — 50 = 50 градусов
Теперь нам надо определить дискретность, то есть желаемую точность измерений.
Как вы помните, абсолютная погрешность может составлять несколько LSB. К тому же ещё существуют нелинейные искажения, которые обычно равны 0,5 LSB. То есть общая погрешность АЦП может доходить до 2-3 LSB.
В нашем случае это:
Uп = 3 LSB * 0,005 = 0,015 В
Или 3 градуса.
Если в вашем случае не так всё гладко, то снова используем формулу, выведенную из (1):
Тд = Uп / K = 0,015 / 0,005 = 3
Если погрешность в 3 градуса вас устраивает, то можно ничего не менять. Ну а если нет, то придётся подобрать АЦП с большей разрядностью либо подыскать другой датчик (с другим температурным диапазоном или с другим выходным напряжением).
Например, если вам удастся найти датчик с диапазоном -40+50, как мы и хотели, и с таким же выходом 01В, то
К = 1 / 90 = 0,01
Тогда абсолютная погрешность будет:
Тд = Uп / K = 0,015 / 0,01 = 1,5 градуса.
Это уже более-менее приемлемо. Ну а если у вас будет датчик с выходом 05В (это тоже стандартный сигнал), то
К = 5 / 90 = 0,05
А абсолютная погрешность будет:
Тд = Uп / K = 0,015 / 0,05 = 0,3 градуса.
Это уже вообще ништяк.
Но! Не забывайте, что здесь мы рассматриваем только погрешность АЦП. Но и у самого датчика тоже есть погрешность, которую также надо учитывать.
Но всё это уже из области электроники и метрологии, поэтому данную статью я здесь и закончу.
А в конце на всякий случай приведу формулу обратного преобразования температуры в напряжение:
U = K * (Tв + 50) = 0,005 * (150 + 50) = 1
Источник: http://av-assembler.ru/mc/what-is-adc.php
