Принцип побудови АЦП і ЦАП. Савенков С. М

Оскільки усі процеси, що відбуваються в оточуючому людину світі, є принципово аналоговими, то між об’єктом експерименту та системою видачі результату повинна міститись принаймні одна пара аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворювачів (АЦП та ЦАП відповідно).

Зв’язок між аналоговим та цифровим сигналами реалізується шляхом взаємоузгодженої інтерпретації сигналу за рахунок засобів кодування. Основою реалізації аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворень є теорема Котельникова, згідно якої будь-який сигнал з обмеженим спектром можна представити у вигляді суми відліків, за умови , де fs – частота слідування дискретних імпульсів, f₀ – ширина спектру аналогового сигналу На рис.1 показано АЦ перетворення в часовому (а), та частотному (б) представленні.

Умова надзвичайно важлива з точки зору можливості відновлення сигналу. Розглянемо це на прикладі сигналу (частотне представлення зображене на рис.2.а). У випадку відбувається рознесення спектру і є можливість відновлення сигналу (рис.2.б); при - відбувається накладання спектру і відновити його неможливо (рис.2.в); при - повне накладання.

рис.1	рис.2	рис.3

АЦП

Використовується двійкова система кодування – як представлення частки певної умовної одиниці. Величина умовної одиниці – повний діапазон (ПД), решта можливостей – чсатка від повного діапазону. Тоді самий лівий розряд (старший значущий) відповідає половині ПД, а молодший значущий розряд – . Він визначає мінімальне значення сигналу, на яке має змінитись вхідний сигнал – роздільна здатність.

Є декілька джерел похибки АЦП. Похибки квантування є наслідком обмеженої розрядності АЦП. Цей недолік не може бути усунений при жодному типі аналого-цифрового перетворення. Абсолютна величина помилки квантування при кожному відліку знаходиться в межах від нуля до половини МЗР. Передаточна характеристика ідеального АЦП зображена на рис.4.а (всі одиниці в кодовому представленні відповідають ).

Виділяють ще 4 види похибок:

· похибка зсуву (рис.4.б);

· похибка нахилу (по суті, це похибка підсилення, рис.4.в);

· інтегральна похибка (коли початкова і кінцева точки сталі, а крива відрізняється від ідеальної, характеризується величиною макс-го відхилення від ідеальної характеристики, рис.4.г.);

· диференційна похибка (випадіння комбінації, рис.4.д).

Якщо перші дві можуть бути мінімізовані зовнішнім налаштуванням, то інші дві не коректуються ззовні, адже вони є результатом органічних подій у корпусі.

Але на точність перетворення суттєво впливають ще і такі чинники, як

· час(швидкодія) перетворення – за час появи коду на виході сигнал може змінитись. Зміни за час перетворення повинні не перевищувати величини МЗР

Оскільки реальні АЦП не можуть провести аналого-цифрове перетворення миттєво, вхідне аналогове значення повинне утримуватися постійним принаймні від початку до кінця процесу перетворення (цей інтервал часу називають час перетворення). Це завдання вирішується шляхом використання спеціальної схеми на вході АЦП — пристрій вибірки-зберігання (ПВЗ). ПВЗ, як правило, зберігає вхідну напругу в конденсаторі, сполученому з входом через аналоговий ключ: при замиканні ключа відбувається вибірка

вхідного сигналу (конденсатор заряджається до вхідної напруги), при розмиканні — зберігання. Багато АЦП, виконані у вигляді інтегральних мікросхем містять вбудовані ПВЗ.

1) Динамічна компенсація.

Роботу схеми можна зобразити, використавши епюри напруг, які надходять на вхід компаратора: U_вх і сигнал з ЦАП.

З кожним тактом, який диктується тактовим генератором (ТГ на схемі) – лічильник збільшує число на виході на «1». Код з лічильника проходить крізь ЦАП і разом з вхідним сигналом надходить на компаратор. Коли вхідний сигнал переважає, на виході компаратора – 1, коли ж сигнали зрівнюються, на компараторі з’являється «0», схема контролю припиняє подачу тактових імпульсів на лічильник і в цей момент число, яке встановилось на його виході і є потрібним відліком.

2) Схема послідовного наближення.

Схема послідовного наближення	Флеш АЦП

Принцип роботи схеми подібний до попередньої за винятком того, що поступове наближення відбувається не рівномірними кроками, а регістрами, починаючи з старшого. Така схема працює звичайно швидше і може оцифрувати більш швидкі сигнали. Необхідна умова для коректної роботи обох схем:

, де - тактова частота генератора, а - максимальна гармоніка в спектрі вхідного сигналу.

3) Паралельний (флеш) АЦП.

Дана схема працює таким чином: вхідна напруга порівнюється з опорною на компараторах, при чому на кожний наступний компаратор подається опорна напруга менша ніж на попередній на деяку сталу величину, яка визначається величиною опору R. Таким чином, якщо йти по схемі знизу вгору, на компараторах спочатку буде «1» (вхідна напруга більша за опорну), а починаючи з деякого вже йтимуть «0» - опорна вже починає переважати. Таким чином по номеру даного компаратора можна судити про величину вхідного сигналу, що й робить пріоритетний шифратор. Він аналізує покази компараторів зверху вниз, знаходить n-ий, на якому виникла перша «1» і присвоює даній напрузі у відповідність двійкове число. N – кількість компараторів в схемі, n – порядковий номер того, починаючи з якого вже йдуть «1», - напруга дискретизації (чисельно дорівнює падінню потенціалу на одному резисторі R). Як бачимо оцифровка в даному випадку йде паралельно, що дозволяє забезпечити велику швидкість, проте такі АЦП мають високу ціну, адже АЦП такого роду всього на 1 байт (8 розрядів) повинен містити 256 компараторів!!

4) Послідовно-паралельні АЦП. (Багатоступінчаті АЦП).

За цією з першого погляду трохи дивною назвою стоїть пристрій, який дозволяє маючи АЦП на n розрядів проводити дискретизацію сигналу з розрядністю kn, де k – натуральне число. Таким чином можна трохи знизити вартість установки, оскільки вартість того ж таки флеш-АЦП росте не лінійно з розрядністю, а зі зростаючою похідною.

Схема такого девайсу:

Принцип дії простий: спочатку сигнал грубо оцифровується верхнім АЦП, потім виділяється різницевий сигнал з вхідного і того, що оцифрував даний АЦП (на суматор один з сигналів подіється інвертованим); після цього сигнал з суматора подається на другий АЦП, опорна напруга якого вже зменшена в разів, де k – розрядність АЦП (в даному випадку в 16разів). Таким чином в два етапи отримуємо сигнал, дискретизований з вдвоє більшою розрядністю ніж розрядність одного АЦП.

ЦАП— пристрій для перетворення цифрового (звичайного двійкового) коду в аналоговий сигнал (струм, напругу чи заряд). ЦАП’и є інтерфейсом між абстрактним цифровим світом та реальними аналоговими сигналами.

Поиск по сайту: