|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Характеристики цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей
Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются разрешающая способность, нелинейность, коэффициент преобразования (передачи), погрешность нуля (смещение нуля), абсолютная погрешность преобразования и погрешность полной шкалы, дифференциальная нелинейность, монотонность, время преобразования. Разрешающая способность определяет число дискретных значений выходного сигнала преобразователя, составляющих его предел преобразования. Чем больше число дискретных значений, тем выше разрешающая способность преобразователя. Двоичный n-разрядный преобразователь имеет 2n дискретных значений, а его разрешающая способность равна 1/2n. Однако только по разрешающей способности установить точность преобразования невозможно. В преобразователях различают наименьший и наибольший значащий разряды. В двоичной системе кодирования наименьшим значащим разрядом считается тот, который имеет наименьший вес. Вес одного младшего разряда определяет разрешающую способность. Наибольший значащий разряд несёт в себе наибольший вес. В двоичном кодировании наибольший значащий разряд имеет вес ½ номинального значения полной шкалы преобразования. Разрешающая способность может выражаться либо в процентах, либо в долях от полной шкалы. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096 или 0, 0245 % полной шкалы. Такой преобразователь с полной шкалой 10 В может обеспечить изменение выходного кода на один двоичный разряд при изменении входного напряжения на 2, 45 мВ. Аналогично 12-разрядный ЦАП дает изменение выходного напряжения на 0, 0245 % от полной шкалы при изменении двоичного входного кода на один двоичный разряд. Нелинейность (или, как её часто называют, интегральная нелинейность, или погрешность линейности) л(x) характеризуется отклонением значений реальной характеристики преобразователя fp(x) от прямой (рис.5.2, а). При этом значение л(x) зависит от метода линеаризации, которая может осуществляться по различным критериям, например, критерию граничных точек, когда линеаризующая прямая проходит через начальную и конечную точки реальной функции преобразования fp(x). На рис.5.2 приведены два способа линеаризации, из которых следует, что способ линеаризации для получения минимального значения л(x), приведенный на рис.5.2, б, позволяет уменьшить погрешность л(x) вдвое.
Рис. 5.2. Способы проведения линеаризующей прямой
При изменении входного кода ЦАП на единицу его выходной сигнал меняет своё значение на значение младшего разряда. Дифференциальная нелинейность определяется отклонением приращения выходного сигнала преобразователя от номинального значения младшего разряда при последовательном изменении значений кодового входного сигнала на единицу (рис.5.3). У идеального преобразователя дифференциальная нелинейность равна нулю. Допускаемым значением дифференциальной нелинейности считается Относительная дифференциальная нелинейность вычисляется по формуле:
где Ф – фактическое приращение выходного сигнала, вызванное изменением двоичного числа на единицу.
Рис.5.3.
Как правило, наибольшая дифференциальная нелинейность наблюдается тогда, когда происходит выключение всех младших разрядов и включение одного старшего, т.е. при смене кода с 011….1 на 100….0. Дифференциальная нелинейность может быть выражена в долях младшего разряда или в процентах от полной шкалы. Нелинейность характеристики ЦАП оказывает незначительное влияние на его дифференциальную нелинейность. Более того, ЦАП может быть линейным, т.е. его реальная характеристика может отклоняться от прямой не более чем на
Монотонность преобразователя означает, что при каждом приращении входного сигнала происходит приращение выходного сигнала того же знака, в противном случае преобразователь не является монотонным рис.5.6.
Требование дифференциальной нелинейности, равной  , является более жестким, чем требование монотонности, так как немонотонность означает дифференциальную нелинейность большую чем .
Коэффициент преобразования преобразователя определяет угол наклона его характеристики преобразования. Как уже отмечалось, для идеального ЦАП наклон характеристики должен быть таким, чтобы при включении всех разрядов (двоичный код полной шкалы nна его цифровых входах 111... 1) выходное напряжение полной шкалы UП.ШЦАП было меньше значения опорного напряжения UОПна значение младшего разряда (прямая 1 на рис.5.7). Для интегральных схем ЦАП с токовым выходом наклон характеристики определяется значением сопротивления резистора Roc, который включен в цепь обратной связи усилителя — преобразователя тока в напряжение. Если значение сопротивления резистора Rocпревышает номинальное значение, то коэффициент преобразования возрастает (прямая2 на рис.5.6), если номинал Rocменьше нормы, то коэффициент преобразования уменьшается (прямая 3 на рис.5.6). Это объясняется тем, что фактические значения младших разрядов Ф2 и Ф3 для характеристик 2 и 3 отличаются от расчётного значения . В этом случае фактические значения младших разрядов преобразователя определяются как
где UП.Ш.Ф— фактическое значение напряжения полной шкалы преобразователя. Степень отклонения реального значения коэффициента преобразования от расчётного характеризуется абсолютной погрешностью полной шкалы П.Ш, под которой понимают разность между номинальным значением напряжения полной шкалы преобразователя UП.Ш.НОМ, и фактическим его значением UП.Ш.Ф, т.е. для ЦАП:
Относительная погрешность полной шкалы П.Ш. ЦАП определяется выражением
и, следовательно, не зависит от коэффициента преобразования ЦАП. Погрешности полной шкалы для АЦП характеризуются отклонением действительного входного напряжения от его расчётного значения для полномасштабного выходного кода. Погрешности полной шкалы для ЦАП и АЦП обусловлены погрешностями: – опорного напряжения UОП; –значений сопротивлений многозвенного резистивного делителя; – коэффициента усиления усилителя. Погрешность полной шкалы может быть скорректирована с помощью регулировки коэффициента усиления выходного усилителя (для ЦАП) или значения опорного напряжения (для АЦП). Погрешность нуля (смещение нуля) 0 для ЦАП — это выходное напряжение ЦАП с нулевым входным кодом, а для АЦП — среднее значение входного напряжения АЦП, необходимое для получения нулевого кода на его выходе. Смещение нуля вызвано током утечки через коммутирующие разрядные ключи ЦАП, входным током или напряжением смещения выходного усилителя (для ЦАП) или компаратора (для АЦП). Данную погрешность можно скомпенсировать с помощью внешней по отношению к ЦАП или АЦП регулировки нулевого смещения. Погрешность нуля выражается в процентах от полной шкалы или в долях единицы младшего разряда. Погрешность полной шкалы П.Ш., как это показано на рис.5.7, определяется с учётом погрешности нуля характеристики преобразователя 0, в то время как при определении погрешности линейности Ллинеаризирующая прямая реальной функции преобразования fp(x) должна проходить через начало координат. Следовательно, перед тем как определить погрешность линейности необходимо скорректировать погрешность нуля 0. Абсолютная погрешность преобразования отражает отклонение фактического выходного сигнала преобразователя от теоретического, вычисленного для идеального преобразователя. Значение абсолютной погрешности преобразования выражается обычно в процентах от полной шкалы преобразования и учитывает все составляющие погрешности преобразования (нелинейность, смещение нуля, погрешность коэффициента преобразования). Абсолютная погрешность преобразования находится в прямой зависимости от текущего значения UОП. Изменение значения UОП, например, на 1 % вызывает увеличение абсолютной
Время установления ЦАП является важным динамическим параметром и определяется как интервал времени, в течение которого выходной аналоговый сигнал ЦАП при смене кодовой комбинации на его цифровых входах достигает своего установившегося значения (соответствующего статическому режиму преобразования) с допускаемой погрешностью, значение которой выражается как часть от полной шкалы преобразования и обычно равно . При этом, чем больше изменение входного воздействия и перепад выходного аналогового сигнала, тем продолжительней время установления. Действительно, если погрешность установления не превышает , то при включении и выключении, например, младшего разряда перепад выходного аналогового сигнала ЦАП будет составлять всего лишь удвоенную допускаемую погрешность установления. Поэтому время установления будет минимальным. И наоборот, если перепад выходного сигнала ЦАП велик по сравнению с допускаемой погрешностью установления, время установления возрастает. Однако необходимо учитывать следующее обстоятельство. Время установления зависит не только от значения перепада выходного сигнала ЦАП, но и (в большей степени) от того, относительно какого уровня происходят эти перепады, т.е. от того количества разрядов, которые меняют свое состояние при формировании нового значения выходного сигнала ЦАП. Наиболее длительное время установления наблюдается в случае периодического формирования полной шкалы (т.е. при смене кодовых комбинаций на цифровых входах ЦАП с 00…0 на 11…1) и при так называемом главном кодовом переходе, когда меняются кодовые комбинации с 011…1 на 100…0. Это объясняется тем, что выключение разрядов происходит, как правило, быстрее их включения. Поэтому при смене указанных кодовых комбинаций выходной сигнал ЦАП в течение определенного отрезка времени будет иметь нулевое значение, после чего возвращается к предыдущему значению за вычетом единицы младшего разряда.
Время преобразования АЦП определяется как интервал времени, в течение которого выходной код преобразователя при скачкообразном изменении входного аналогового сигнала достигает значения, отличающегося от установившегося не более, чем на значение допускаемой погрешности. Нормирование и определение этого параметра существенно зависит от структуры и назначения преобразователя. Так, время преобразования интегрирующих АЦП вполне определённо и практически не зависит ни от каких внешних факторов. На время преобразования АЦП поразрядного уравновешивания и прямого (параллельного) преобразования влияют многие факторы, и его можно подразделить на время переходного процесса во входных цепях АЦП tBXи время цикла преобразования tЦ, необходимое для отработки всех разрядов АЦП и получения на выходе соответствующего кода. Таким образом, для времени преобразования tПР АЦП можно записать: Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 1145; Нарушение авторского права страницы
, 
, 
