Характеристики АЦП

Аналого-цифровые преобразователи

Ø Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analog-to-digital converter, ADC) есть измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования входного аналогового сигнала в дискретный цифровой код, обычно двоичный.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемой частью микропроцессорных и цифровых измерительных приборов и характе­ризуются следующими основными параметрами: разрядностью, частотой дискретизации (частотой квантования) и временем оцифровки.

Диапазон измерения характеризует величину напряжения, в пределах которого АЦП производит преобразование аналогового сигнала в цифровой. Типичный диапазон измерений АЦП составляет 0 - 2,5 В или 0 – 5,0 В для униполярного сигнала и ±2,5 В или ±5,0 В для биполярного.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе при максимальном значе­нии сигнала на входе (верхней границе диапазона измерений). В двоичных АЦП измеряется в битах, Например, двоичный АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0…255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 2⁸ = 256. Разрядность АЦП, используемых в измерительных приборах, обычно состав­ляет от 10 до 24 бит.

Разрешением АЦП называют минимальное изменение величины ана­логового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП и обна­ружено в выходном цифровом сигнале. Очевидно, что понятие разрешения тесно связано с понятием разрядности АЦП. Например, если АЦП имеет раз­рядность 8 бит и диапазон измерений 0-2,5 В, то разрешение АЦП будет равно 2,5/2⁸ = 2,5/256» 0,01 В. На практике реальное разрешение АЦП ог­раничено величиной шума входного сигнала и собственным шумом АЦП. Ог­раничение, накладываемое на разрешение собственным шумом преобразо­вателя описывается понятием эффективной разрядности АЦП, которая все­гда меньше расчетной разрядности.

АЦП преобразует непрерывную функцию времени, которой является ана­логовый сигнал, в последовательность значений цифровых выборок. Зна­чения аналогового сигнала измеряются и оцифровываются через интервал времени T_d — период дискретизации, Величина, обратная периоду дискре­тизации называется частотой дискретизации f _d (частотой квантования, час­тотой оцифровки) и характеризует частоту, с которой генерируется ряд циф­ровых значений, описывающий аналоговый сигнал.

Процедура оцифровки (дискретизации, квантования по амплитуде) аналогового сигнала занимает определенное время T_d (период дискретиза­ции), в течение которого АЦП выполняет множество операций. При этом время собственно замера входного аналогового сигнала составляет только небольшую часть всего периода дискретизации и называется временем оцифровки или временем выборки, t _d. Например, если частота дискретиза­ции АЦП составляет f _d = 1 МГц, т.е. период дискретизации равен T_d =1 мкс, то время оцифровки может быть на порядки меньше, например, t _d = 5 нс = 0,005 мкс.

Точность, с которой производится преобразование аналогового сиг­нала, определяется:

· собственным шумом АЦП, который обычно не превосходит ½ значе­ния самого младшего разряда,

· нелинейностью преобразователя, которая наиболее явно может прояв­ляться при малых значениях сигнала и при его величине, близ­кой в верхнему пределу диапазона измерений АЦП;

· флуктуациями частоты преобразования и времени оцифровки (джит­тер-эффект), которые определяют появление погрешности преобра­зования порядка ½ младшего разряда при любом значении входного сигнала.

Нужно иметь в виду, что одновременное достижение максимальной точности и быстродействия аналого-цифрового преобразования требует очень больших затрат. Для большинства АЦП действует простое правило – чем выше быстродействие преобразования, тем больше его погрешность.

Всем аналого-цифровым преобразователям свойственен еще один тип погрешности, связанный с тем, что преобразование аналогового сигнала про­исходит путём выборки входных значений через строго фиксированные ин­тервалы времени. Следовательно, по выходным значениям невозможно точно восстановить исходный сигнал, в том числе определить его частотный спектр и поведение на интервалах времени между выборками. Для медлен­ных сигналов, частота которых много меньше частоты дискретизации, f << f _d, с хорошей точность можно полагать, что в период между выборками вели­чина сигнала заметно не меня­ется. Однако, для сигналов с час­тотой близкой к частоте дискре­тизации, f ~ f _d/2 или превосхо­дящих ее однозначно восстано­вить форму сигнала невозможно Согласно теореме Котельникова для однозначного восстановления частотного спектра исходного сигнала необходимо, чтобы его частота была менее ½ от час­тоты дискретизации:

где f _N - называется частотой Найквиста.

Если частота сигнала равна или больше частоты Найквиста, то в частотном спектре цифро­вого сигнала появляются ложные компоненты, которые отсутст­вуют в спектре исходного сиг­нала и накладываются на исход­ный частотный спектр сигнала (.эффект наложения частот- aliasing). Частота ложных компонент определяется разностью между частотой сигнала и час­тотой дискретизации, f _a = f _s /2 - f _d. Например, синусоидальный сигнал с часто­той 60 Гц, который преобразован с частотой 100 Гц, будет воспроизво­диться как синусоида с частотой 10 Гц (Рис.1.21).

Дата добавления: 2015-03-31