Контроль параметров АЦП

Страница 2

АЦП последовательного приближения имеет несколь­ко меньшее быстродействие, но существенно большую разрядность (разрешающую способность). В нем исполь­зуется только один компаратор, максимальное число срабатываний которого за один цикл измерения не превы­шает числа разрядов преобразователя. Суть такого ме­тода преобразования заключается в последовательном сравнении входного преобразуемого напряжения Us с выходным напряжением образцового ЦАП, изменяю­щимся по закону последовательного приближения до момента наступления их равенства (с погрешностью дискретности). Входной сигнал Ux с помощью аналогового компаратора КН сравни­вается с выходным сигналом образцового ЦАП, который управляется в свою очередь регистром последовательно­го приближения РгПП. При запуске схемы РгПП уста­навливается генератором Г в исходное состояние. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответ­ствующее половине диапазона преобразования, что обес­печивается включением его старшего разряда 100 . 0. Если Us меньше выходного напряжения ЦАП, то стар­ший разряд выключается, включается второй по стар­шинству разряд (на входе ЦАП код 0100 .0), что соот­ветствует 'формированию на выходе ЦАП напряжения, равного половине предыду­щего. В случае если Их пре­вышает это напряжение, то дополнительно включается третий разряд (на входе ЦАП код 0110 .0), что при­водит к увеличению выходного напряжения ЦАП в 1,5 раза. При этом выходное напряжение ЦАП вновь сравни­вается с напряжением Ux и т. д. Описанная процедура повторяется т раз (где m—число разрядов АЦП). В итоге на выходе ЦАП формируется напряжение, отли­чающееся от входного преобразуемого напряжения Ux не более чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования напряжения Ux в его цифровой эквива­лент—параллельный двоичный код Nx—снимается с выхода РгПП. Очевидно, погрешность преобразования и быстродействие такого устройства определяются в основ­ном параметрами ЦАП (разрешающей способностью, ли­нейностью, быстродействием) и компаратора (порогом чувствительности, быстродействием). Преимуществом рассмотренной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразова­телей сравнительно высокого быстродействия (время 'пре­образования 'порядка нескольких сот наносекунд). На ос­нове метода последовательного приближения реализова­на и серийно выпускается ИМС 12-разрядного АЦП К572ПВ1 с временем преобразования 100 мкс.

Наиболее простыми по структуре среди интегрирую­щих преобразователей являются АЦП с преобразовани­ем напряжения в частоту, построенные на базе интегри­рующего усилителя и аналогового компаратора. Погреш­ность их преобразования определяется нестабильностью порога срабатывания компаратора и постоянной времени интегратора. Более высокими метрологическими харак­теристиками обладают АЦП, реализованные по принци­пу двойного интегрирования (например, ИМС, 11-раз­рядного АЦП К572ПВ2), поскольку при этом практиче­ски удается исключить влияние на погрешность преобра­зования нестабильности порога срабатывания компара­тора и постоянной времени интегратора.

Анализ описанных методов преобразования и струк­турных схем АЦП позволяет сделать вывод, что наи­большим быстродействием обладают АЦП прямого пре­образования, однако их разрядность невысока. АЦП поразрядного уравновешивания, обладая средним быст­родействием, дают возможность получить достаточно высокую разрешающую способность. Но помехозащи­щенность тех и других преобразователей невысока. АЦП интегрирующего типа, обладая наименьшим быстродей­ствием, обеспечивают наибольшую помехозащищенность и точность преобразования.

2. Характеристики ИМС АЦП

Основными параметрами, характеризующими ИМС АЦП, являются разрешающая способность, нели­нейность, коэффициент преобразования, погрешность полной шкалы, смещение нуля, абсолютная погрешность, дифференциальная нелинейность, монотонность, время преобразования.

Разрешающая способность определяется числом дис­кретных значений выходного сигнала преобразователя, составляющих его предел преобразования. Чем больше число дискретных значений, тем выше разрешающая способность преобразователя. Двоичный m-разрядный преобразователь имеет 2m дискретных значений, а его разрешающая способность равна 1/2m. В преобразовате­лях различают наименьший и наибольший значащие раз­ряды. В двоичной системе кодирования наименьший зна­чащий разряд — это разряд, имеющий наименьший вес. Вес младшего разряда определяет разрешающую способ­ность. Наибольший значащий разряд соответствует наибольшему весу. В двоичной системе кодирования наи­больший значащий разряд имеет вес 1/2 номинального значения максимально возможного выходного сигнала при всех включенных разрядах (полной шкалы преобра­зования).

Разрешающая способность характеризует как ЦАП, так и АЦП и может выражаться либо в процентах, либо в долях полной шкалы. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от значения полной шкалы. Преобразователь с полной шка­лой напряжения 10 В может обеспечивать изменение выходного кода на единицу при изменении входного напря­жения на 2,45 мВ. Аналогично 12-разрядный ЦАП дает изменение выходного напряжения на 0,0245% от значе­ния полной 'шкалы при изменении двоичного входного кода на один двоичный разряд. Разрешающая способность является скорее расчетным параметром, а не тех­нической характеристикой, поскольку она не определяет ни точность, ни линейность преобразователя.

Нелинейность dн, или интегральная нелинейность, ха­рактеризуется отклонением dн(х) реальной характерис­тики преобразователя fp(x) от прямой. При этом значе­ние dн(х) зависит от метода линеаризации. Рис. 2,а иллюстрирует способ линеаризации, когда линеаризую­щая прямая проходит через крайние точки реальной ха­рактеристики ЦАП. При этом наблюдается максималь­ная погрешность линейности (нелинейность dн). На рис. 2,б прямая проводится таким образом, что макси­мальное отклонение fp(x) от прямой получается в два раза меньше. Однако для этого необходимо знать харак­тер реальной характеристики ЦАП, что очень 'сложно обеспечить в серийном производстве. Поэтому, как пра­вило, погрешность линейности определяют при прохож­дении линеаризующей прямой через крайние точки ха­рактеристики fp (х). Для определения нелинейности (ко­торая обычно выражается в процентах от полной шкалы или в долях единицы младшего разряда) необходимо знать аналитическую зависимость между выходным ана­логовым сигналом ЦАП и его цифровым входом. Для ЦАП с двоичными т-разрядами аналоговый выход Uвых зависит от входного двоичного кода в идеальном случае (в отсутствие погрешностей преобразования) таким об­разом:

Uвых = Uоп(B12-1+B22-2+…+ Bm2-m), (1)

где B1, B2, ., Bm—коэффициенты двоичного числа, име­ющие значение единицы или нуля (что соответствует включению или выключению разряда); Uon—опорное напряжение ЦАП. Так как

то выходное напряжение ЦАП при всех включенных раз­рядах (B1, B2, ., Bm = 1) определяется соотношением

(2)

Таким образом, при включении всех разрядов выход­ное напряжение ЦАП, равное напряжению полной шка­лы Uп.ш, отличается от опорного напряжения Uоп на зна­чение младшего разряда преобразователя Δ:

(3)

При включении i-ro разряда выходное напряжение ЦАП

Uвых=Uоп2-i (4)

Выражение (1) показывает линейную зависимость между аналоговым выходом и цифровым входом преоб­разователя. Следовательно, сумма аналоговых выходных величин, полученная для любой комбинации разрядов, действующих независимо, должна быть равна аналого­вому сигналу, который получается при одновременном включении всех разрядов этой комбинации.

Это являет­ся основой простого и эффективного контроля нелиней­ности: включаются различные комбинации разрядов и регистрируется соответствующий аналоговый сигнал. За­тем каждый разряд этой комбинации включается отдель­но и записывается соответствующее ему значение выходного напряжения. Алге­браическая сумма этих значений срав­нивается с суммой, получаемой для всех разрядов выбранной комбинации, включённых одновременно. Разность сумм и будет погрешностью линейности для данной точки выходной характеристики преобразователя. Наи­худшим случаем для погрешности линей­ности является вклю­чение всех разрядов, поскольку при этом погрешность опреде­ляется суммой по­грешностей всех раз­рядов.