D/A pretvarač. .

Ovi uređaji su "provodnici" između analog i digitalni svjetovi elektriciteta.

Suština je da koriste senzori, motori, svjetla i mnogi drugi uređaji analogni signal, to je npr. napon s razinom od 0V do 12V, dok digitalni FPGA, mikrokontroleri i mikrosklopovi trebaju konstantne razine napona, na primjer 0V i 5V koji su logične 0 i 1 odnosno.

Primjer 1 DAC

Zamislimo da smo suočeni sa zadatkom kontrole svjetline LED-a:

• 10 razina (gradacije) LED svjetlina
• maksimalni napon preko LED 9V
• kontrolira mikrokontroler i dva gumba "+1 razina svjetline", "-1 razina svjetline"

Dakle, LED radi na naponu od 0 do 9V. Lako je pogoditi da je 10 stupnjeva svjetline 10 razina napona koje primjenjujemo na LED - 0V, 1V, ..., 9V

Mikrokontroler daje izlaze 0V ili 5V. Ali ne 1V, 3V, 4V ili 9V. Ali mikrokontroler ima mnogo toga logično zaključke na koje se možemo povezati DAC kod i Pretvoriti logika u analogni signal.

Na digitalno-analogni pretvarač postoje npr. 4 ulazna pina za spajanje logičkih signala i 2 pina za izlaz analog naponi od 0 do 15V - zaključci "+" i "-".

Evo ti posao DAC a: kad serviramo sva 4 buta logično 1, zatim razinu napona analog izlazni signal je maksimalan ( 15V u našem slučaju), kada serviramo 0 - minimum, tj. 0V

Sada ono najzanimljivije. Svaki ulazni terminal DAC ali postoji "težina" za izlazni signal. Na primjer, gornji izlaz "teži" 8V (odnosno, ako primijenite logičku 1 samo na 1. izlaz, tada ćemo dobiti 8V na izlazu), sljedeći ispod 4V, sljedeći 2V, i zadnji niski 1V. Sada zbrojite ove brojeve i dobijete 15V.

Moramo dobiti razine 0V, 1V, 2V, 3V, 4V, 5V, 6V, 7V, 8V i 9V.

To znači da ulazi DAC moraju biti kodirani prema sljedećoj tablici

Gumbi "+1 razina svjetline", "-1 razina svjetline" će dodati ili oduzeti 1 jedinicu od izlaza digitalni signal mikrokontrolera. Ovaj signal će se primijeniti na ulaze DAC. Izlaz DAC bit će spojen na LED. Misija izvršena!

Primjer 2. ADC

Analogno digitalni pretvaračradi obrnuto. Primjenjujemo promjenjivu razinu napona na ulaz, dobivamo logiku na izlazu (komadići) +5V i 0V, ili logička 1 i 0

Postavimo zadatak za uzimanje očitanja sa senzora temperature:

• senzor pokazuje temperaturu od 0C do 30C
• na 0C senzor daje 0V, na 30C daje 15V
• signal mikrokontroler mora primiti u digitalnom obliku (logičke 1 i 0, napon + 5V i 0V)

ADC ima dva ulazna pina za primanje analognog signala s naponom npr. od 0 do 15V i, u našem slučaju, 4 pina za izlaz digitalni logički signal. To jest, četverobitni paralelni kodni signal.

Izlaz našeg senzora povezujemo s analognim ulazom ADC, i digitalni četveroznamenkasti izlaz iz ADC spojiti na mikrokontroler. I već prihvaćamo očitanja sa senzora u digitalnom obliku na mikriku. Podaci u procesu odgovarat će tablici u nastavku.

Analogno-digitalni pretvarač je uređaj dizajniran za pretvaranje fizičke veličine koja se kontinuirano mijenja u vremenu u ekvivalentne vrijednosti digitalnog koda. Analogna vrijednost može biti napon, struja, kutni pomak, tlak plina itd.

Proces analogno-digitalne pretvorbe uključuje sekvencijalno izvođenje sljedećih operacija (slika 13.5):

Uzorkovanje vrijednosti izvorne analogne vrijednosti u nekim danim vremenskim točkama, tj. uzorkovanje signala u vremenu,

Kvantizacija (zaokruživanje pretvorene vrijednosti na neke poznate vrijednosti) vrijednosti analogne vrijednosti dobivene u diskretnim vremenima po razini,

Kodiranje - zamjena pronađenih kvantnih vrijednosti nekim numeričkim kodovima.

Riža. 13.5. Princip analogno-digitalne pretvorbe.

Pogreška integrirajućeg ADC-a određena je uglavnom promjenom nagiba napona zuba pile, koji je određen vremenskom konstantom RC integratora (generatora napona pile). Pod utjecajem vanjskih destabilizirajućih čimbenika, posebice temperature, mijenja se vremenska konstanta, a time i nagib pilastog napona, što dovodi do značajnih pogrešaka pretvorbe. Stoga se trenutno za izgradnju integrirajućih ADC-ova koristi princip dvostruke integracije.

Princip rada dvostruka integracija ADC sastoji se u tome da se prvo tijekom određenog fiksnog vremenskog intervala T 1 integrira analogno pretvorena vrijednost U x, a zatim se integrira referentni (referentni) napon suprotnog polariteta U op. Vremenski interval T 2 proporcionalan je preračunatoj vrijednosti U x .

Slika 13.11. Strukturni dijagram ADC dvostruke integracije (a) i vremenski dijagram njegovog rada (b) Doista, tijekom vremenskog intervala T 1, napon na izlazu integratora mijenja se prema linearnom zakonu:

Tijekom vremenskog intervala T 2 mijenja se izlazni napon na izlazu integratora od Uout.int.max do 0, tj.

Posljedično,

Dakle, vremenski interval T 2 ovisi o konstanti T 1 /U op i varijabli U x i ne ovisi o parametrima integratora. To se može vidjeti na grafikonu prikazanom na sl. 13.12.

Slika 13.12. Napon na izlazu integratora u vremenskoj konstanti τ 1 = R 1 * C 1 (1) i pri τ 2 = R 2 * C 2 (1) ADC s dvostrukom integracijom pruža visoku točnost pretvorbe pod umjetnom bukom uvjetima u širokom rasponu temperatura i naširoko se koristi u mjernoj tehnologiji i automatiziranim sustavima upravljanja.

Na primjer, osnova svih multimetara je ADC s dvostrukom integracijom, izrađen na čipu K572PV2 ili K572PV5. IC-ovi su gotovo isti, ali prvi pokreće LED, a drugi LCD.

Mikrokrug K572PV2, zajedno s izvorom referentnog napona, nekoliko otpornika i kondenzatora, obavlja funkcije dvostruke integracije ADC s automatskim nuliranjem op-amp i određivanjem polariteta ulaznog signala.

Glavni tehnički parametri IS-a:

Bitna dubina - 3,5 decimalna mjesta,

Ulazna impedancija - 50Mohm,

Ulazni napon - ±1,999Uop(V),

Izvedba - (2-9) Hz,

Potrošnja struje - 1,8 mA

Napon napajanja - 9V.

Slika 13.13. IS K572PV2 (a) i izlazni napon na izlazu generatora (b)

Rad IC odvija se pod utjecajem taktnih impulsa f internog generatora impulsa u tri stupnja:

U prvom stupnju T 1 , koji traje 4000 perioda f ty, integriran je napon U x,

U drugom stupnju, koji traje od 0 do 8000 perioda, f ti je integracija referentnog napona U op i

U trećoj fazi, koja traje od 4000 do 12000 perioda dnevno, operacijsko pojačalo se automatski postavlja na nulu.

Cijeli ciklus pretvorbe traje 16 000 ciklusa.

Višekanalni ADC naširoko se koriste za pretvaranje nekoliko analognih vrijednosti iste vrste. Takvi ADC-ovi uključuju analogni prekidač i jedan od gore spomenutih ADC-ova.

Slika 13.14. Višekanalni ADC

Pretvorba se odvija sekvencijalno, parametar po parametar. Analogni prekidač naizmjenično povezuje sve ulazne signale s ADC ulazom preko pojačala.

Radi praktičnosti, članak će biti podijeljen u 2 dijela.

dio I

ADC ili analogno-digitalna pretvorba.

U analognoj opremi analogni zvuk ima oblik kontinuiranog električnog signala, računalna tehnologija zauzvrat radi samo s digitalnim podacima - stoga je zvuk u računalu digitalan.

Mislim da već imate neku zabunu između "zvukova". Kako bismo izbjegli nesporazume, razmotrimo što jest digitalni zvuk i kako se analogno pretvara "u digitalno".

digitalni audio- metoda predstavljanja audio signala pomoću diskretnih numeričkih vrijednosti njegove amplitude.

Kao i obično, pokušat ću sve objasniti na jednostavniji način. Ponavljam malo.

Zvučni val je složena funkcija koja opisuje ovisnost njegove amplitude o vremenu.

Da bi se ovaj val digitalizirao, potrebno ga je opisati, zadržavajući diskretnu vrijednost za određene točke.

Vrijednost amplitude zvučnog vala mora se izmjeriti u svakoj vremenskoj točki, a dobivena vrijednost treba biti zapisana brojevima. No, zbog nemogućnosti fiksiranja vrijednosti amplitude s točnošću od 100%, moraju se pisati u zaokruženom obliku. Što, kao rezultat, podrazumijeva mala izobličenja izvornog signala. Drugim riječima, doći će do neke vrste aproksimacije ove funkcije duž osi amplitude i vremenske koordinate.

Kao što vidite, proces digitalizacije signala sastoji se od dvije faze.

1.Prvo - uzorkovanje (uzorkovanje)

2.Drugo - kvantizacija.

Uzorkovanje- proces dobivanja vrijednosti pretvorenog signala u određenim vremenskim intervalima. Drugim riječima, to je, takoreći, "uzorkovanje" signala prema zadanim vrijednostima.

Kvantizacija- predstavlja proces zamjene primljenih vrijednosti amplitude signala s maksimalnom približnom točnošću.

Kao što je gore spomenuto, prilikom pretvaranja signala potrebno je zaokružiti vrijednosti zbog nemogućnosti fiksiranja "prave" vrijednosti amplitude s idealnom (u stvari, beskonačnom) točnošću. Za to bi računala trebala veću količinu RAM-a (više od 1TB), a možete ga neograničeno dotjerivati, što za posljedicu ima stvaranje RAM-a s beskonačnom količinom memorije.

Na točnost zaokruživanja utječe razina kvantizacije (ili bitna dubina kvantizacije). Što je veći broj razina, to se manja vrijednost amplitude zaokružuje, što za posljedicu ima manju pogrešku.

Na temelju navedenog već se može zaključiti da je digitalizacija signala fiksiranje amplitude zvučnog vala u određenim vremenskim intervalima, te zapis primljenog s minimalnom greškom.

Postoji još jedan zaključak koji se može izvesti. Što je veća stopa uzorkovanja i dubina bita kvantizacije, točniji je opis primljenog signala.

Kvaliteta izravno ovisi o parametrima odabranim za digitalizaciju. To su brzina uzorkovanja (izražena u KHz) i dubina bita (izražena u bitovima).

Drugim riječima, što je dubina bita i brzina uzorkovanja veća, dobiva se bolji signal i veća je količina digitaliziranih podataka. Stoga ovdje trebate tražiti "zlatnu sredinu" između težine i kvalitete.

Kotelnikovljev teorem (u engleskoj literaturi - Nyquist-Shannonov teorem ili teorem uzorkovanja) navodi da ako analogni signal ima konačan (ograničen širinom) spektar, tada se može obnoviti jedinstveno i bez gubitaka iz njegovih diskretnih uzoraka uzetih s frekvencija strogo veća od dvostruke gornje frekvencije.

U “prijevodu na normalan ljudski jezik”, da bi se dobila što cjelovitija informacija o zvuku, primjerice, u frekvencijskom području do 22.000 Hz, potrebno je uzorkovanje s frekvencijom od najmanje 44,1 Kg.

To sugerira da nema smisla juriti za visokim brzinama uzorkovanja, budući da frekvencija od 44,1 kHz pokriva cijeli raspon frekvencija koje osoba može čuti, pa čak i malo više.

Dio II

Digitalno-analogna pretvorba.

Kako bismo mogli slušati zvuk nakon digitalizacije, potrebno ga je ponovno pretvoriti u analogni.

Analogni signal mogu obraditi pojačala i drugi analogni uređaji i reproducirati zvučnici.

Pretvara digitalni signal u analogni - digitalno-analogni pretvarač (DAC). Proces pretvorbe je inverzni ADC postupak.

Suvremeni sustavi reproduciraju i snimaju zvuk putem audio sučelja, čija je zadaća unos i izlaz audio informacija, tj. Ovo je uređaj za pretvaranje analognog signala u digitalni i obrnuto.

Rad audio sučelja može se objasniti jednostavnijim riječima.

Prvo, ulazni analogni zvuk ulazi u analogni ulaz (ili mikser), nakon čega se šalje u ADC, koji ga kvantizira i uzorkuje.. Rezultat je digitalni audio signal koji ide do računala preko sabirnice i digitalni zvuk je dobiveno.

Prilikom ispisivanja audio informacija događa se sličan proces, samo u suprotnom smjeru. Tok podataka prolazi kroz DAC, koji pretvara brojeve koji određuju amplitudu signala u električni – analogni signal.

Shematski sve to izgleda kao što je prikazano na sl. 1

Želim napomenuti da ako je audio sučelje opremljeno sučeljem za digitalnu razmjenu podataka, tada kada radite s digitalnim zvukom, nijedan od njegovih analognih blokova nije uključen - tako ćete, zaobilazeći pretvarače, zadržati zvuk gotovo onakav kakav jest.

U članku se opisuje uređaj i načela rada analogno-digitalnih pretvarača različitih tipova, kao i njihove glavne karakteristike, koje proizvođači navode u dokumentaciji.

Analogno-digitalni pretvarač (ADC) jedna je od najvažnijih elektroničkih komponenti u mjernoj i ispitnoj opremi. ADC pretvara napon (analogni signal) u kod na kojem mikroprocesor i softver izvode određene radnje. Čak i ako radite samo s digitalnim signalima, najvjerojatnije koristite ADC na svom osciloskopu kako biste saznali njihove analogne karakteristike.

Postoji nekoliko osnovnih vrsta ADC arhitekture, iako postoje i mnoge varijacije unutar svake vrste. Različite vrste mjerne opreme koriste različite vrste ADC-ova. Na primjer, digitalni osciloskop koristi visoku stopu uzorkovanja, ali ne zahtijeva visoku rezoluciju. Digitalni multimetri trebaju veću rezoluciju, ali možete žrtvovati brzinu mjerenja. Sustavi za prikupljanje podataka opće namjene obično se nalaze između osciloskopa i digitalnih multimetara u smislu brzine uzorkovanja i rezolucije. Ova vrsta opreme koristi ADC sukcesivne aproksimacije ili sigma-delta ADC. Postoje i paralelni ADC-ovi za aplikacije koje zahtijevaju brzu analognu obradu signala i integraciju ADC-ova s ​​visokom rezolucijom i smanjenjem šuma.

Na sl.1. prikazane su mogućnosti glavnih ADC arhitektura ovisno o razlučivosti i brzini uzorkovanja.

Riža. 1. Vrste ADC - razlučivost ovisno o brzini uzorkovanja

Paralelni ADC

Većina brzih osciloskopa i neki visokofrekventni instrumenti koriste paralelne ADC-ove zbog njihove velike brzine pretvorbe, koja može doseći 5 GS/s za standardne uređaje i 20 GS/s za originalne dizajne. Paralelni ADC obično imaju razlučivost do 8 bita, ali dostupne su i 10-bitne verzije.

Riža. 2. ADC paralelna pretvorba

Riža. 2 prikazuje pojednostavljenu blok shemu 3-bitnog paralelnog ADC (za pretvarače veće rezolucije princip rada je isti). Koristi niz komparatora, od kojih svaki uspoređuje ulazni napon s pojedinačnim referentnim naponom. Takav referentni napon za svaki komparator formira se na ugrađenom preciznom rezistivnom djelitelju. Referentni napon počinje od polovice najmanje značajne znamenke (LSB) i raste sa svakim sljedećim komparatorom u koracima od V REF /2 3 . Kao rezultat toga, 3-bitni ADC zahtijeva 2 3 -1 ili sedam komparatora. I, na primjer, za 8-bitni paralelni ADC bit će potrebno 255 (ili (2 8 -1)) komparatora.

Kako se ulazni napon povećava, komparatori sekvencijalno postavljaju svoje izlaze na logičku jedinicu umjesto na logičku nulu, počevši od komparatora odgovornog za bit najmanje važnosti. Pretvarač možete zamisliti kao živin termometar: kako temperatura raste, živin stupac se diže. Na sl. 2, ulazni napon pada između V3 i V4, tako da donja 4 komparatora izlaze "1", a gornja tri komparatora izlaze "0". Dekoder pretvara (2 3 -1) - bitnu digitalnu riječ iz izlaza komparatora u binarni 3-bitni kod.

Paralelni ADC-ovi su relativno brzi uređaji, ali imaju svoje nedostatke. Zbog potrebe za korištenjem velikog broja komparatora, paralelni ADC-ovi troše značajnu snagu i nisu praktični za aplikacije koje se napajaju baterijama.

Kada je potrebna razlučivost od 12, 14 ili 16 bita i nije potrebna velika brzina pretvorbe, a niska cijena i mala potrošnja energije su odlučujući čimbenici, obično se koriste ADC-ovi s uzastopnom aproksimacijom. Ova vrsta ADC-a se najčešće koristi u raznim instrumentima i sustavima za prikupljanje podataka. Trenutačno ADC-ovi sukcesivne aproksimacije omogućuju mjerenje napona s točnošću do 16 bita s brzinom uzorkovanja od 100K (1x10 3) do 1M (1x10 6) uzoraka/s.

Riža. Slika 3 prikazuje pojednostavljeni blok dijagram ADC-a sukcesivne aproksimacije. Ovaj tip ADC-a temelji se na posebnom registru sukcesivne aproksimacije. Na početku ciklusa pretvorbe svi izlazi ovog registra su postavljeni na logičku 0, osim prvog (najvišeg) bita. Ovo generira signal na izlazu internog digitalno-analognog pretvarača (DAC) čija je vrijednost jednaka polovici ulaznog raspona ADC-a. A izlaz komparatora se prebacuje u stanje koje određuje razliku između signala na DAC izlazu i izmjerenog ulaznog napona.

Riža. 3. SAR ADC

Na primjer, za 8-bitni SAR ADC (slika 4), izlazi registra postavljeni su na "10000000". Ako je ulazni napon manji od polovice ulaznog raspona ADC-a, tada će izlaz komparatora biti logička 0. Ovo upućuje registar sukcesivne aproksimacije da prebaci svoje izlaze u stanje "01000000", što će promijeniti izlazni napon iz DAC-a u komparator prema tome. Ako bi izlaz komparatora i dalje ostao na "0", tada bi se izlazi registra prebacili u stanje "00100000". Ali u ovom ciklusu pretvorbe, izlazni napon DAC-a manji je od ulaznog napona (Sl. 4), a komparator se prebacuje u stanje logičke 1. Ovo naređuje registru sukcesivne aproksimacije da pohrani "1" u drugi bit. i primijenite "1" na treći bit. Opisani algoritam rada zatim se ponovno ponavlja do zadnje znamenke. Stoga, ADC sa sukcesivnom aproksimacijom zahtijeva jedan takt interne konverzije po bitu ili N taktova za N-bitnu konverziju.

Riža. 4. Pretvorba uzastopnih aproksimacija u ADC

Međutim, rad ADC-a uzastopne aproksimacije ima osobitost povezanu s prijelaznim pojavama u internom DAC-u. Teoretski, napon na izlazu DAC-a za svaki od N ciklusa interne pretvorbe trebao bi biti postavljen u istom vremenskom razdoblju. Ali zapravo je taj interval u prvim taktovima puno veći nego u posljednjim. Stoga je vrijeme pretvorbe 16-bitnog ADC-a s uzastopnom aproksimacijom više nego dvostruko duže od vremena pretvorbe 8-bitnog ADC-a s uzastopnom aproksimacijom.

Za većinu mjerenja često nije potreban ADC s brzinom pretvorbe koju pruža ADC sa sukcesivnom aproksimacijom, ali je potrebna visoka rezolucija. Sigma-delta ADC-ovi mogu pružiti razlučivost do 24 bita, ali su inferiorni u brzini pretvorbe. Dakle, u sigma-delta ADC na 16 bita, možete dobiti brzinu uzorkovanja do 100K uzoraka/s, a na 24 bita ta frekvencija pada na 1K uzoraka/s ili manje, ovisno o uređaju.

Tipično, sigma-delta ADC-ovi se koriste u raznim sustavima za prikupljanje podataka iu mjernoj opremi (mjerenje tlaka, temperature, težine, itd.) kada nije potrebna visoka stopa uzorkovanja i kada je potrebna razlučivost veća od 16 bita.

Princip rada sigma-delta ADC je teže razumjeti. Ova arhitektura pripada klasi integrirajućih ADC-ova. Ali glavna značajka sigma-delta ADC je da frekvencija uzorkovanja, na kojoj se zapravo analizira razina napona mjerenog signala, značajno premašuje brzinu uzorkovanja na izlazu ADC (frekvencija uzorkovanja). Ova stopa uzorkovanja naziva se brzina ponovnog uzorkovanja. Na primjer, sigma-delta ADC sa stopom konverzije od 100K uzoraka/s, koji koristi stopu ponovnog uzorkovanja od 128 puta veću, uzorkovat će ulazni analogni signal brzinom od 12,8 M uzoraka/s.

Blok dijagram sigma-delta ADC prvog reda prikazan je na sl. 5. Analogni signal se primjenjuje na integrator čiji su izlazi spojeni na komparator, koji je opet spojen na 1-bitni DAC u povratnoj petlji. Kroz niz uzastopnih ponavljanja, integrator, komparator, DAC i zbrajalo proizvode tok serijskih bitova koji sadrži informacije o veličini ulaznog napona.

Riža. 5. Sigma-delta ADC

Rezultirajuća digitalna sekvenca se zatim dovodi do niskopropusnog filtra za suzbijanje komponenti iznad Kotelnikovljeve frekvencije (polovica brzine uzorkovanja ADC-a). Nakon uklanjanja visokofrekventnih komponenti, sljedeći čvor - decimator - prorjeđuje podatke. U ADC-u koji razmatramo, decimator će ostaviti 1 bit od svakih 128 primljenih u izlaznoj digitalnoj sekvenci.

Budući da je interni digitalni niskopropusni filtar u sigma-delta ADC-u sastavni dio procesa pretvorbe, vrijeme uspostavljanja niskopropusnog filtra postaje faktor koji treba uzeti u obzir prilikom skakanja ulaznog signala. Na primjer, kod prebacivanja ulaznog multipleksora ili kod prebacivanja granice mjerenja uređaja, potrebno je pričekati da prođe nekoliko ADC uzoraka, pa tek onda očitati točne izlazne podatke.

Dodatna i vrlo bitna prednost sigma-delta ADC-a je što se sve njegove unutarnje jedinice mogu izraditi integralno na površini jednog silikonskog čipa. To značajno smanjuje troškove krajnjih uređaja i povećava stabilnost karakteristika ADC-a.

Integrirajući ADC

I posljednja vrsta ADC-a o kojoj ćemo ovdje raspravljati je push-pull ADC. U digitalnim multimetrima u pravilu se koriste upravo takvi ADC-ovi, jer. ovi instrumenti zahtijevaju kombinaciju visoke rezolucije i visoke potiskivanja šuma. Ideja pretvorbe u takvom integrirajućem ADC-u mnogo je manje komplicirana nego u sigma-delta ADC-u.

Slika 6 prikazuje kako radi push-pull ADC. Ulazni signal puni kondenzator kroz fiksno vremensko razdoblje, koje je obično jedan ciklus mrežne frekvencije (50 ili 60 Hz) ili višestruki ciklus. Kada se ulazni signal integrira kroz vremenski period ovog trajanja, visokofrekventni šum se potiskuje. Istodobno se eliminira utjecaj nestabilnosti napona mrežnog napajanja na točnost pretvorbe. To je zato što je vrijednost integrala sinusoidnog signala nula ako se integracija provodi u vremenskom intervalu koji je višekratnik razdoblja sinusoidalne promjene.

Riža. 6. Integrirajući ADC. Zelena boja pokazuje smetnje iz mreže (1 period)

Na kraju vremena punjenja, ADC prazni kondenzator fiksnom brzinom, dok interni brojač broji broj impulsa takta tijekom pražnjenja kondenzatora. Dulje vrijeme pražnjenja stoga odgovara većem očitanju mjerača i većem izmjerenom naponu (slika 6).

Push-pull ADC imaju visoku točnost i visoku rezoluciju, a također imaju relativno jednostavnu strukturu. To omogućuje njihovu implementaciju u obliku integriranih sklopova. Glavni nedostatak takvih ADC-ova je dugo vrijeme pretvorbe, zbog vezanja razdoblja integracije na trajanje razdoblja napajanja. Na primjer, za opremu od 50 Hz, brzina uzorkovanja push-pull ADC ne prelazi 25 uzoraka/s. Naravno, takvi ADC-ovi također mogu raditi s višom stopom uzorkovanja, ali kako se potonja povećava, otpornost na buku se smanjuje.

Specifikacija ADC-a

Postoje opće definicije koje se obično koriste u odnosu na analogno-digitalne pretvarače. Međutim, specifikacije navedene u tehničkoj dokumentaciji proizvođača ADC-a mogu djelovati prilično zbunjujuće. Pravilan odabir ADC-a koji je po svojim karakteristikama optimalan za pojedinu primjenu zahtijeva točnu interpretaciju podataka navedenih u tehničkoj dokumentaciji.

Parametri koji se najčešće brkaju su razlučivost i točnost, iako su ove dvije karakteristike pravog ADC-a izuzetno slabo povezane. Razlučivost nije identična preciznosti, 12-bitni ADC može imati manju preciznost od 8-bitnog ADC-a. Za ADC, rezolucija je mjera na koliko se segmenata ulazni raspon mjerenog analognog signala može podijeliti (na primjer, za 8-bitni ADC, to je 28 = 256 segmenata). Točnost karakterizira ukupno odstupanje rezultata pretvorbe od njegove idealne vrijednosti za dati ulazni napon. To jest, rezolucija karakterizira potencijalne mogućnosti ADC-a, a skup parametara točnosti određuje izvedivost takve potencijalne sposobnosti.

ADC pretvara ulazni analogni signal u izlazni digitalni kod. Za stvarne pretvarače proizvedene u obliku integriranih krugova, proces pretvorbe nije idealan: na njega utječu i tehnološka širina parametara tijekom proizvodnje i razne vanjske smetnje. Stoga se digitalni kod na izlazu ADC-a određuje s pogreškom. Specifikacija za ADC ukazuje na pogreške koje sam pretvarač daje. Obično se dijele na statičke i dinamičke. Ujedno, krajnja je primjena ta koja određuje koje će se karakteristike ADC-a smatrati odlučujućima, najvažnijima u svakom konkretnom slučaju.

Statička greška

U većini primjena, ADC se koristi za mjerenje sporo promjenjivog signala niske frekvencije (npr. od senzora temperature, senzora tlaka, mjerača naprezanja, itd.) kada je ulazni napon proporcionalan konstantnoj fizičkoj veličini. Ovdje glavnu ulogu igra statička greška mjerenja. U specifikaciji ADC-a ova vrsta pogreške definirana je aditivnom pogreškom (Offset), multiplikativnom pogreškom (Full-Scale), diferencijalnom nelinearnošću (DNL), integralnom nelinearnošću (INL) i pogreškom kvantizacije. Ovih pet karakteristika omogućuje vam da u potpunosti opišete statičku pogrešku ADC-a.

Idealan prijenosni odziv ADC-a

Prijenosna karakteristika ADC-a je funkcija ovisnosti koda na izlazu ADC-a o naponu na njegovom ulazu. Takav graf je po komadu linearna funkcija od 2N "koraka", gdje je N ADC dubina bita. Svaki horizontalni segment ove funkcije odgovara jednoj od vrijednosti ADC izlaznog koda (vidi sl. 7). Ako početke tih horizontalnih segmenata povežemo linijama (na granicama prijelaza s jedne vrijednosti koda na drugu), tada će idealna prijenosna karakteristika biti ravna crta koja prolazi kroz ishodište.

Riža. 7. Idealna prijenosna karakteristika 3-bitnog ADC-a

Riža. Slika 7 ilustrira idealnu karakteristiku prijenosa za 3-bitni ADC s prekidnim točkama na granicama prijelaza koda. Izlazni kod poprima najmanju vrijednost (000b) kada je ulazni signal između 0 i 1/8 pune ljestvice (maksimalna vrijednost koda ovog ADC-a). Također imajte na umu da će ADC doseći vrijednost koda pune skale (111b) na 7/8 pune skale, a ne na punoj skali. Da. Prijelaz na maksimalnu vrijednost na izlazu ne događa se pri punom naponu ljestvice, već pri vrijednosti manjoj od najmanje značajne znamenke (LSB) od ulaznog napona pune ljestvice. Prijenosna karakteristika može se implementirati s -1/2 LSB pomakom. To se postiže pomicanjem prijenosne karakteristike ulijevo, čime se greška kvantizacije pomiče s -1...0 LSB na -1/2...+1/2 LSB.

Riža. 8. Prijenosna karakteristika 3-bitnog ADC-a pomaknuta za -1/2LSB

Zbog tehnološkog širenja parametara u proizvodnji integriranih sklopova, pravi ADC nemaju idealnu karakteristiku prijenosa. Odstupanja od idealne prijenosne karakteristike određuju statičku grešku ADC-a i navedena su u tehničkoj dokumentaciji.

Idealna prijenosna karakteristika ADC-a prelazi ishodište, a prvi prijelaz koda događa se kada se postigne vrijednost od 1 LSB. Dodatna pogreška (pogreška pomaka) može se definirati kao pomak cjelokupne prijenosne karakteristike ulijevo ili udesno u odnosu na os ulaznog napona, kao što je prikazano na slici 9. Stoga je pomak od 1/2 LSB namjerno uključen u definiciju aditivne pogreške ADC-a.

Riža. 9. Dodatna pogreška (pogreška pomaka)

Multiplikacijska pogreška

Multiplikativna pogreška (pogreška pune skale) razlika je između idealnih i stvarnih prijenosnih karakteristika u točki maksimalne izlazne vrijednosti pod uvjetom nulte aditivne pogreške (bez pomaka). To se očituje kao promjena u nagibu prijenosne funkcije, što je ilustrirano na Sl. deset.

Riža. 10. Multiplikativna pogreška (pogreška pune skale)

Za idealnu prijenosnu karakteristiku ADC-a, širina svakog "koraka" treba biti ista. Razlika u duljini vodoravnih segmenata ove komadno linearne funkcije od 2N "koraka" je diferencijalna nelinearnost (DNL).

Vrijednost najmanjeg bita ADC-a je Vref/2N, gdje je Vref referentni napon, N je rezolucija ADC-a. Razlika napona između svakog prijelaza koda mora biti jednaka vrijednosti LSB. Odstupanje ove razlike od LSB definira se kao diferencijalna nelinearnost. Na slici je to prikazano kao nejednaki razmaci između "koraka" koda ili kao "zamagljivanje" prijelaznih granica na ADC prijenosnoj karakteristici.

Riža. 11. Diferencijalna nelinearnost (DNL)

Integralna nelinearnost

Integralna nelinearnost (INL) je pogreška koja je uzrokovana odstupanjem linearne funkcije ADC prijenosne karakteristike od ravne linije, kao što je prikazano na slici. 12. Obično se prijenosna funkcija s integralnom nelinearnošću aproksimira ravnom linijom pomoću metode najmanjih kvadrata. Često odgovarajuća ravna crta jednostavno povezuje najmanju i najveću vrijednost. Integralna nelinearnost utvrđuje se usporedbom napona na kojima se događaju prijelazi koda. Za idealan ADC, ti će se prijelazi dogoditi na ulaznim naponima koji su točno višekratnici LSB-a. A za pravi pretvarač, takav se uvjet može ispuniti s pogreškom. Razlika između "idealnih" naponskih razina na kojima se događa prijelaz koda i njihovih stvarnih vrijednosti izražava se u LSB jedinicama i naziva se integralna nelinearnost.

Riža. 12. Integralna nelinearnost (INL)

Pogreška kvantizacije

Jedna od najznačajnijih komponenti pogreške u ADC mjerenjima, pogreška kvantizacije, rezultat je samog procesa pretvorbe. Pogreška kvantizacije je pogreška uzrokovana vrijednošću koraka kvantizacije i definirana je kao? vrijednost najmanje značajne znamenke (LSB). Ne može se isključiti u analogno-digitalnim pretvorbama, budući da je sastavni dio procesa pretvorbe, određen je razlučivošću ADC-a i ne mijenja se od ADC-a do ADC-a s jednakom razlučivošću.

Dinamičke karakteristike

Dinamičke karakteristike ADC-a obično se određuju pomoću spektralne analize, iz rezultata izvođenja brze Fourierove transformacije (FFT) na nizu izlaznih vrijednosti ADC-a koji odgovaraju nekom ispitnom ulaznom signalu.

Na sl. Slika 13 prikazuje primjer frekvencijskog spektra mjerenog signala. Nulti harmonik odgovara osnovnoj frekvenciji ulaznog signala. Sve ostalo je šum, koji uključuje harmonijsko izobličenje, toplinski šum, 1/f šum i šum kvantizacije. Neke komponente buke generira sam ADC, a neke mogu biti unesene u ADC iz vanjskih krugova. Harmonijska distorzija, na primjer, može biti sadržana u izmjerenom signalu i istovremeno generirana od strane ADC-a tijekom procesa pretvorbe.

Riža. 13. Rezultat izvršenja FFT-a na izlaznim podacima ADC-a

Omjer signala i šuma

Omjer signal-šum (SNR) je omjer efektivne vrijednosti ulaznog signala i efektivne vrijednosti šuma (bez harmonijskog izobličenja), izražen u decibelima:

SNR(dB) = 20 log [Vsignal(rms)/ Vnoise(rms)]

Ova vrijednost vam omogućuje da odredite udio šuma u izmjerenom signalu u odnosu na korisni signal.

Riža. 14. SNR - Omjer signala i šuma

Riža. 15. FFT reflektira harmonijsko izobličenje

Šum izmjeren u izračunu SNR ne uključuje harmonijsko izobličenje, ali uključuje kvantizacijski šum. Za ADC s određenom rezolucijom, buka kvantizacije je ta koja ograničava mogućnosti pretvarača na teoretski bolji omjer signala i šuma, koji se definira kao:

SNR(db) = 6,02 N + 1,76,

gdje je N rezolucija ADC-a.

Spektar šuma kvantizacije ADC-a standardnih arhitektura ima jednoliku distribuciju frekvencija. Stoga se magnituda ovog šuma ne može smanjiti povećanjem vremena pretvorbe i zatim usrednjavanjem rezultata. Šum kvantizacije može se smanjiti samo mjerenjem s većim ADC-om.

Značajka sigma-delta ADC je da je njegov spektar šuma kvantizacije neravnomjerno raspoređen po frekvenciji - pomaknut je prema visokim frekvencijama. Dakle, povećanjem vremena mjerenja (a time i broja uzoraka mjerenog signala), akumuliranjem i potom usrednjavanjem dobivenog uzorka (niskopropusni filtar), može se dobiti rezultat mjerenja s većom točnošću. Naravno, u ovom slučaju, ukupno vrijeme pretvorbe će se povećati.

Ostali izvori šuma ADC uključuju toplinski šum, 1/f šum i referentno podrhtavanje.

Opće harmonijsko izobličenje

Nelinearnost u rezultatima pretvorbe podataka dovodi do pojave harmonijskog izobličenja. Takva se izobličenja promatraju kao "emisije" u frekvencijskom spektru na parnim i neparnim harmonicima mjerenog signala (slika 15).

Ovo izobličenje se definira kao ukupno harmonično izobličenje (THD). Oni su definirani kao:

Količina harmonijskog izobličenja smanjuje se na visokim frekvencijama do točke u kojoj amplituda harmonika postaje manja od razine šuma. Dakle, ako analiziramo doprinos harmonijskog izobličenja rezultatima pretvorbe, to možemo učiniti ili u cijelom frekvencijskom spektru, ograničavajući amplitudu harmonika razinom šuma, ili ograničavajući propusnost za analizu. Na primjer, ako naš sustav ima niskopropusni filtar, tada nas jednostavno ne zanimaju visoke frekvencije, a visokofrekventni harmonici ne podliježu obračunu.

Omjer signal/šum i izobličenje

Omjer signal-šum i izobličenje (SiNAD) potpunije opisuje karakteristike šuma ADC-a. SiNAD uzima u obzir količinu šuma i harmonijskog izobličenja u odnosu na korisni signal. SiNAD se izračunava pomoću sljedeće formule:

Riža. 16. Dinamički raspon bez harmonika

Specifikacija ADC-a, navedena u tehničkoj dokumentaciji za mikrosklopove, pomaže u razumnom odabiru pretvarača za određenu primjenu. Kao primjer, razmotrite specifikaciju ADC-a integriranog u novi mikrokontroler C8051F064 koji proizvodi Silicon Laboratories.

Mikrokontroler C8051F064

Kristal C8051F064 je brzi 8-bitni mikrokontroler za zajedničku obradu analognih i digitalnih signala s dva integrirana 16-bitna ADC-a sukcesivne aproksimacije. Ugrađeni ADC mogu raditi u jednožilnom i diferencijalnom načinu rada s maksimalnom izvedbom do 1M uzoraka/s. Tablica prikazuje glavne karakteristike ADC mikrokontrolera C8051F064. Kako biste sami procijenili mogućnosti digitalne i analogne obrade C8051F064, možete koristiti jeftini komplet za procjenu C8051F064EK (Slika 17). Komplet uključuje evaluacijsku ploču temeljenu na C8051F064, USB kabel, dokumentaciju i softver za testiranje analognih dinamičkih i statičkih karakteristika integriranog 16-bitnog ADC-a visoke preciznosti.

Stol. V DD = 3,0 V, AV+ = 3,0 V, AVDD = 3,0 V, V REF = 2,50 V (REFBE=0), -40 do +85° osim ako nije drugačije naznačeno

Riža. 17. Komplet za procjenu C8051F064EK

Književnost

1. http://www.wbc-europe.com/en/services/pim_application_guide.html
2. www.silabs.com

Wolfgang Reis (WBC GmbH)

Predavanje #3

"Analogno-digitalna i digitalno-analogna pretvorba".

U mikroprocesorskim sustavima ulogu impulsnog elementa ima analogno-digitalni pretvarač (ADC), a ulogu ekstrapolatora digitalno-analogni pretvarač (DAC).

Analogno digitalna pretvorba je pretvaranje informacija sadržanih u analognom signalu u digitalni kod . Pretvorba digitalno u analogno dizajniran za obavljanje inverznog zadatka, tj. pretvoriti broj predstavljen kao digitalni kod u ekvivalentni analogni signal.

ADC se u pravilu ugrađuju u povratne krugove digitalnih upravljačkih sustava za pretvaranje analognih povratnih signala u kodove koje percipira digitalni dio sustava. Da. ADC-ovi obavljaju nekoliko funkcija, kao što su: vremensko uzorkovanje, kvantizacija razine, kodiranje. Generalizirani blok dijagram ADC-a prikazan je na slici 3.1.

Signal u obliku struje ili napona primjenjuje se na ulaz ADC-a, koji se kvantizira prema razini tijekom procesa pretvorbe. Idealan statički odziv 3-bitnog ADC-a prikazan je na slici 3.2.

Ulazni signali mogu poprimiti bilo koju vrijednost u rasponu od − Umax do Umax , a izlazi odgovaraju osam (2 3) diskretnih razina. Vrijednost ulaznog napona pri kojoj dolazi do prijelaza s jedne vrijednosti izlaznog koda ADC-a na drugu susjednu vrijednost naziva se kod prijelaznog napona. Razlika između dvije susjedne vrijednosti međukodnih prijelaza naziva se korak kvantizacije ili jedinica najmanje značajne znamenke (LSD).Početna točka karakteristike pretvorbe naziva se točka definirana vrijednošću ulaznog signala, definirana kao

(3.1),

gdje je U 0,1 je napon prvog međukodnog prijelaza, ULSB – korak kvantizacije ( LSB - Najmanji bit ). pretvorba odgovara ulaznom naponu, određenom omjerom

(3.2).

Raspon ulaznog napona ADC-a, ograničen vrijednostima U 0,1 i U N-1,N nazvao raspon ulaznog napona.

(3.3).

Raspon ulaznog napona i LSB vrijednost N -bitni omjer veza ADC i DAC

(3.4).

napon

(3.5)

nazvao napon pune skale ( FSR-puni raspon ljestvice ). Obično se ovaj parametar određuje razinom izlaznog signala referentnog napona spojenog na ADC. Vrijednost koraka kvantizacije ili jedinica najmanjeg bita, tj. jednako je

(3.6),

a jedinična vrijednost najznačajnije znamenke

(3.7).

Kao što se može vidjeti na slici 3.2, tijekom pretvorbe dolazi do pogreške koja ne prelazi polovicu vrijednosti najmanje značajne znamenke U LSB /2.

Postoje različite metode analogno-digitalne pretvorbe, koje se razlikuju po točnosti i brzini. U većini slučajeva, ove karakteristike su antagonističke jedna drugoj. Trenutno su takve vrste pretvarača kao što su ADC uzastopnih aproksimacija (balansiranje po bitovima), integrirajući ADC, paralelni ( Bljesak ) ADC, "sigma-delta" ADC, itd.

Blok dijagram ADC uzastopnih aproksimacija prikazan je na sl.3.3.

Glavni elementi uređaja su komparator (K), digitalno-analogni pretvarač (DAC) i logički upravljački krug. Princip pretvorbe temelji se na sekvencijalnoj usporedbi razine ulaznog signala s razinama signala koji odgovaraju različitim kombinacijama izlaznog koda i formiranju rezultirajućeg koda na temelju rezultata usporedbi. Niz uspoređivanih kodova zadovoljava pravilo dijeljenja na pola. Na početku pretvorbe, DAC ulazni kod je postavljen u stanje u kojem su svi bitovi osim najvišeg bita 0, a najviši je 1. S ovom kombinacijom, napon jednak polovici raspona ulaznog napona generira se na DAC izlaz. Taj se napon uspoređuje s ulaznim naponom na komparatoru. Ako je ulazni signal veći od signala koji dolazi iz DAC-a, tada se najvažniji bit izlaznog koda postavlja na 1, inače se resetira na 0. U sljedećem ciklusu, kod koji je djelomično formiran na ovaj način ponovno se dovodi na DAC ulaz, sljedeći bit se postavlja na jedan i usporedba se ponavlja. Proces se nastavlja sve dok se ne usporedi najmanje značajan bit. Da. kako bi se dobilo N - potreban bitni izlazni kod N istovjetni elementarni ciklusi usporedbe. To znači da, pod jednakim uvjetima, brzina takvog ADC-a opada s povećanjem njegovog kapaciteta. Interni elementi ADC-a sukcesivne aproksimacije (DAC i komparator) moraju imati točnost bolju od polovice LSB-a ADC-a.

Strukturni dijagram paralele ( Bljesak ) ADC je prikazan na slici 3.4.

U ovom slučaju, ulazni napon se odmah primjenjuje za usporedbu s istoimenim ulazima. N -1 komparatora. Suprotni ulazi komparatora primaju signale iz visokopreciznog razdjelnika napona, koji je spojen na izvor referentnog napona. U ovom slučaju, naponi iz izlaza razdjelnika ravnomjerno su raspoređeni duž cijelog raspona ulaznog signala. Koder prioriteta generira digitalni izlaz koji odgovara najvišem komparatoru s omogućenim izlazom. Da. pružiti N - potrebna konverzija bita 2 N otpornici razdjelnika i 2 N -1 komparator. Ovo je jedan od najbržih načina pretvorbe. Međutim, s velikim kapacitetom, zahtijeva velike troškove hardvera. Točnost svih otpornika razdjelnika i komparatora ponovno bi trebala biti bolja od polovice vrijednosti najmanjeg bita.

Blok dijagram dvostruke integracije ADC prikazan je na slici 3.5.

Glavni elementi sustava su analogni prekidač koji se sastoji od tipki JZ 1, JZ 2, JZ 3, integrator I, komparator K i brojač C. Proces pretvorbe sastoji se od tri faze (sl. 3.6).

Ključ je zatvoren u prvoj fazi SW 1, a ostali prekidači su otvoreni. Preko privatnog ključa SW 1, ulazni napon se primjenjuje na integrator koji integrira ulazni signal tijekom fiksnog vremenskog intervala. Nakon tog vremenskog intervala, razina izlaznog signala integratora proporcionalna je vrijednosti ulaznog signala. U drugoj fazi transformacije, ključ SW 1 otvara, a ključ SW 2 je zatvoren, a signal iz izvora referentnog napona dovodi se na ulaz integratora. Kondenzator integratora prazni se od napona nakupljenog u prvom intervalu pretvorbe konstantnom brzinom proporcionalnom referentnom naponu. Ova faza traje sve dok izlazni napon integratora ne padne na nulu, što dokazuje izlazni signal komparatora, koji uspoređuje signal integratora s nulom. Trajanje drugog stupnja proporcionalno je ulaznom naponu pretvarača. Tijekom cijele druge faze, visokofrekventni impulsi s kalibriranom frekvencijom dovode se do brojača. Da. nakon drugog stupnja, digitalna očitanja brojača proporcionalna su ulaznom naponu. Ovom metodom može se postići vrlo dobra točnost bez postavljanja visokih zahtjeva na točnost i stabilnost komponenti. Konkretno, stabilnost kapacitivnosti integratora možda neće biti visoka, budući da se ciklusi punjenja i pražnjenja odvijaju brzinom obrnuto proporcionalnom kapacitivnosti. Nadalje, greške kompartora i pomaka kompenziraju se činjenicom da svaki stupanj pretvorbe počinje i završava na istom naponu. Za poboljšanje točnosti koristi se treći stupanj transformacije, kada se unos integratora preko ključa SW 3 je nulti signal. Budući da se u ovoj fazi koriste isti integrator i komparator, oduzimanje izlazne vrijednosti pogreške na nuli od rezultata naknadnog mjerenja omogućuje kompenzaciju pogrešaka povezanih s mjerenjima blizu nule. Strogi zahtjevi nisu nametnuti čak ni na frekvenciju taktnih impulsa koji se isporučuju brojaču, jer od istih impulsa formira se fiksni vremenski interval u prvom stupnju pretvorbe. Strogi zahtjevi se nameću samo struji pražnjenja, tj. na izvor referentnog napona. Nedostatak ove metode pretvorbe je mala brzina.

ADC-ove karakteriziraju brojni parametri koji omogućuju provedbu izbora određenog uređaja na temelju zahtjeva za sustav. Svi parametri ADC mogu se podijeliti u dvije skupine: statičke i dinamičke. Prvi određuju karakteristike točnosti uređaja pri radu s konstantnim ili polagano promjenjivim ulaznim signalom, a drugi karakteriziraju brzinu uređaja kao održavanje točnosti s povećanjem frekvencije ulaznog signala.

Razina kvantizacije koja leži u blizini nule ulaznog signala odgovara naponima međukodnih prijelaza –0,5 U LSB i 0,5 U LSB (prvi se javlja samo u slučaju bipolarnog ulaznog signala). Međutim, u stvarnim uređajima, naponi ovih međukodnih prijelaza mogu se razlikovati od ovih idealnih vrijednosti. Odstupanje stvarnih razina ovih napona međukodnih prijelaza od njihovih idealnih vrijednosti naziva se bipolarna greška pomaka nule ( Bipolarna nulta pogreška ) i unipolarna greška pomaka nule ( Pogreška nultog pomaka ) odnosno. S bipolarnim rasponima, pretvorbe obično koriste pogrešku nultog pomaka, a s unipolarnim, unipolarnu pogrešku pomaka. Ova pogreška dovodi do paralelnog pomaka karakteristike stvarne transformacije u odnosu na idealnu karakteristiku duž apscisne osi (slika 3.7).

Odstupanje razine ulaznog signala koja odgovara zadnjem interkodnom prijelazu od njegove idealne vrijednosti U FSR -1,5 U LSB , Zove se pogreška pune skale ( Pogreška pune skale).

ADC pretvorbeni faktor naziva se tangenta nagiba pravca povučena kroz početnu i krajnju točku karakteristike stvarne transformacije. Razlika između stvarne i idealne vrijednosti faktora pretvorbe naziva se pogreška faktora konverzije ( Pogreška pojačanja ) (Sl. 3.7) Uključuje pogreške na krajevima ljestvice, ali ne uključuje nulte pogreške ljestvice. Za unipolarni raspon definira se kao razlika između pogreške punog ljestvice i unipolarne pogreške pomaka nule, a za bipolarni raspon to je razlika između pogreške punog ljestvice i bipolarne pogreške pomaka nule. Zapravo, u svakom slučaju, ovo je odstupanje idealne udaljenosti između zadnjeg i prvog međukodnog prijelaza (jednako U FSR -2 U LSB ) od njegove stvarne vrijednosti.

Pogreške nultog pomaka i faktora konverzije mogu se kompenzirati podešavanjem ADC pretpojačala. Da biste to učinili, morate imati voltmetar s točnošću od najmanje 0,1 ULSB . Za neovisnost ovih dviju pogrešaka prvo se ispravlja pogreška nultog pomaka, a zatim pogreška koeficijenta transformacije.Da biste ispravili pogrešku ADC nultog pomaka, morate:

1. Postavite ulazni napon na točno 0,5 U LSB ;

2. Podesite pomak ADC pretpojačala dok se ADC ne prebaci u stanje 00…01.

Da biste ispravili pogrešku koeficijenta konverzije, morate:

1. Postavite ulazni napon točno na razinu U FSR -1,5 U LSB ;

2. Podesite pojačanje ADC pretpojačala dok se ADC ne prebaci u stanje 11…1.

Zbog nesavršenosti elemenata ADC kruga, koraci u različitim točkama karakteristika ADC razlikuju se jedni od drugih u veličini i nisu jednaki U LSB (slika 3.8).

Odstupanje udaljenosti između srednjih točaka dvaju susjednih stvarnih koraka kvantizacije od idealne vrijednosti koraka kvantizacije ULSB nazvao diferencijalna nelinearnost (DNL - Diferencijalna nelinearnost). Ako DNL veće ili jednako ULSB , tada ADC može imati takozvane "kodove koji nedostaju" (Sl. 3.3). To povlači za sobom lokalnu oštru promjenu koeficijenta prijenosa ADC-a, što u zatvorenim sustavima upravljanja može dovesti do gubitka stabilnosti.

Za one primjene gdje je važno održavati izlazni signal sa zadanom točnošću, važno je da ADC izlazni kodovi odgovaraju naponima međukodnih prijelaza što je moguće bliže. Maksimalno odstupanje centra koraka kvantizacije na stvarnoj karakteristici ADC od linearizirane karakteristike naziva se integralna nelinearnost (INL – Integral Nonlinearity) ilirelativna točnost (Relativna točnost) ADC (Slika 3.9).

Linearizirana karakteristika se povlači kroz ekstremne točke stvarne karakteristike transformacije, nakon što su kalibrirane, tj. eliminiran pomak nule i pogreške faktora konverzije.

Praktično je nemoguće jednostavnim sredstvima kompenzirati pogreške u diferencijalnoj i integralnoj nelinearnosti.

ADC rezolucija ( Rezolucija ) je recipročna vrijednost maksimalnog broja kombinacija kodova na ADC izlazu

(3.8).

Ovaj parametar određuje koju minimalnu razinu ulaznog signala (u odnosu na signal pune amplitude) ADC može prihvatiti.

Točnost i razlučivost dvije su neovisne karakteristike. Razlučivost ima odlučujuću ulogu kada je važno osigurati zadani dinamički raspon ulaznog signala. Točnost je odlučujuća kada se zahtijeva održavanje kontrolirane vrijednosti na danoj razini s fiksnom točnošću.

ADC dinamički raspon (DR - dinamički raspon ) je omjer maksimalne percipirane razine ulaznog napona prema minimalnoj, izražen u dB

(3.9).

Ovaj parametar određuje maksimalnu količinu informacija koju ADC može prenijeti. Dakle, za 12-bitni ADC DR=72 dB.

Karakteristike realnih ADC razlikuju se od karakteristika idealnih uređaja zbog nesavršenosti elemenata realnog uređaja. Razmotrimo neke parametre koji karakteriziraju prave ADC.

odnos signal-šum(SNR - omjer signala i šuma ) je omjer efektivne vrijednosti ulaznog sinusoidnog signala i efektivne vrijednosti šuma, koja se definira kao zbroj svih ostalih spektralnih komponenti do polovice frekvencije uzorkovanja, isključujući istosmjernu komponentu. Za savršene N -bitni ADC koji generira samo kvantizacijski šum SNR , izraženo u decibelima, može se definirati kao

(3.10),

gdje je N - bitna dubina ADC-a. Dakle, za 12-bitni idealan ADC SNR =74 dB. Ova vrijednost je veća od vrijednosti dinamičkog raspona istog ADC-a. minimalna razina percipiranog signala mora biti veća od razine šuma. Ova formula uzima u obzir samo kvantizacijski šum i ne uzima u obzir druge izvore šuma koji postoje u stvarnim ADC-ovima. Prema tome, vrijednosti SNR za prave ADC, u pravilu, to je manje od idealnog. tipična vrijednost SNR za pravi 12-bitni ADC je 68-70 dB.

Ako ulazni signal ima zamah manji U FSR , tada treba ispraviti posljednju formulu

(3.11),

gdje je KOS prigušenje ulaznog signala, izraženo u dB. Dakle, ako ulazni signal 12-bitnog ADC ima amplitudu 10 puta manju od polovice punog napona skale, tada je KOS = -20 dB i SNR=74dB - 20dB=54dB.

Prava vrijednost SNR može se koristiti za određivanje efektivnog broja ADC bitova( ENOB - Efektivni broj bitova ). Određuje se formulom

(3.12).

Ovaj pokazatelj može okarakterizirati stvarnu moć odlučivanja pravog ADC-a. Dakle, 12-bitni ADC, koji ima SNR =68dB za signal s FOS=-20dB je zapravo 7-bitni ( ENOB=7,68). ENOB vrijednost jako ovisi o frekvenciji ulaznog signala, tj. efektivna dubina bita ADC-a smanjuje se s povećanjem frekvencije.

Ukupno harmonijsko izobličenje ( THD – Totalno harmonično izobličenje ) je omjer zbroja RMS vrijednosti svih viših harmonika prema RMS vrijednosti osnovnog harmonika

(3.13),

gdje je n obično ograničenje na razini 6 ili 9. Ovaj parametar karakterizira razinu harmonijskog izobličenja izlaznog signala ADC-a u usporedbi s ulazom. THD raste s frekvencijom ulaznog signala.

Puna propusnost snage ( FPBW - Puna propusnost snage ) najveća je ulazna frekvencija od vrha do vrha pri kojoj se amplituda rekonstruirane osnovne frekvencije smanjuje za najviše 3 dB. Kako se frekvencija ulaznog signala povećava, analogni ADC krugovi više nemaju vremena za obradu njegovih promjena sa zadanom točnošću, što dovodi do smanjenja koeficijenta pretvorbe ADC na visokim frekvencijama.

Vrijeme taloženja (Postavljanje vremena ) je vrijeme potrebno da ADC postigne svoju nominalnu točnost nakon što se na njegov ulaz primijeni koračni signal s amplitudom jednakom punom rasponu ulaznog signala. Ovaj je parametar ograničen zbog konačne brzine različitih ADC čvorova.

Zbog raznih vrsta grešaka, karakteristika pravog ADC-a je nelinearna. Ako se signal primijeni na ulaz uređaja s nelinearnostima, čiji se spektar sastoji od dva harmonika f a i f b , tada će u spektru izlaznog signala takvog uređaja osim osnovnih harmonika biti intermodulacijski subharmonici s frekvencijama, gdje su m , n =1,2,3,… Subharmonici drugog reda su f a + f b , f a - f b , subharmonici trećeg reda su 2 f a + f b , 2 f a - f b , f a +2 f b , f a -2 f b . Ako ulazne sinusoide imaju bliske frekvencije koje se nalaze blizu gornjeg ruba širine pojasa, tada su subharmonici drugog reda daleko od ulaznih sinusoida i nalaze se u području niže frekvencije, dok subharmonici trećeg reda imaju frekvencije blizu ulaza. frekvencije.

Intermodulacijski faktor izobličenja ( Intermodularno izobličenje ) je omjer zbroja RMS vrijednosti intermodulacijskih subharmonika određenog reda prema zbroju RMS vrijednosti osnovnih harmonika, izraženih u dB

(3.14).

Bilo koja metoda analogno-digitalne pretvorbe zahtijeva određeno vrijeme da se završi. Pod, ispod Vrijeme pretvorbe ADC-a ( Vrijeme pretvorbe ) odnosi se na vremenski interval od trenutka kada analogni signal stigne na ulaz ADC-a do pojave odgovarajućeg izlaznog koda. Ako se ulazni signal ADC-a mijenja u vremenu, tada konačno vrijeme pretvorbe ADC-a dovodi do pojave tzv. greška otvora blende(sl.3.10).

Signal za početak konverzije stiže u tom trenutku t0 , a izlazni kod se trenutno pojavljuje t1 . Za to vrijeme se ulazni signal uspio promijeniti za vrijednostD U . Nesigurnost se javlja: koja je razina vrijednosti ulaznog signala u rasponu U 0 - U 0 + D U odgovara zadanom izlaznom kodu. Da bi se točnost pretvorbe održala na razini najmanje značajne znamenke, potrebno je da tijekom pretvorbe promjena vrijednosti signala na ulazu ADC ne bude veća od vrijednosti najmanje značajne znamenke.

(3.15).

Promjena razine signala tijekom vremena pretvorbe može se grubo izračunati kao

(3.16),

gdje je U – ADC ulazni napon, T c - vrijeme pretvorbe. Zamjenom (3.16) u (3.15) dobivamo

(3.17).

Ako je na ulazu sinusni signal s frekvencijom f

(3.18),

tada će njegova derivacija biti

(3.19).

Poprima najveću vrijednost kada je kosinus jednak 1. Zamjenom (3.9) u (3.7) uzimajući to u obzir, dobivamo

, ili

(3.20)

Konačno vrijeme pretvorbe ADC-a dovodi do zahtjeva za ograničenjem brzine promjene ulaznog signala. Kako bi se smanjila greška otvora blende itd. oslabiti ograničenje brzine promjene ulaznog ADC signala na ulazu pretvarača postavlja se na tzv. "uređaj za zadržavanje uzorka" (SHA) ( Jedinica za praćenje/zadržavanje ). Pojednostavljeni dijagram UVH prikazan je na sl. 3.11.

Ovaj uređaj ima dva načina rada: način uzorkovanja i način zaključavanja. Način uzorkovanja odgovara zatvorenom stanju ključa SW . U ovom načinu rada izlazni napon SHA ponavlja svoj ulazni napon. Način zaključavanja aktivira se naredbom koja otvara ključ SW . U tom slučaju prekida se veza između ulaza i izlaza SHA, a izlazni signal se održava na konstantnoj razini koja odgovara razini ulaznog signala u trenutku primanja naredbe za zaključavanje zbog naboja akumuliranog na kondenzator. Stoga, ako se naredba za zamrzavanje izda neposredno prije početka ADC pretvorbe, SHA izlazni signal će se održavati na konstantnoj razini tijekom cijelog vremena pretvorbe. Nakon dovršetka pretvorbe, SHA se prebacuje natrag u način uzorkovanja. Rad stvarnog SHA je nešto drugačiji od idealnog slučaja, koji je opisan (slika 3.12).

(3.21),

gdje je f je frekvencija ulaznog signala, t A je veličina nesigurnosti otvora blende.

U stvarnom SHA izlazni signal ne može ostati apsolutno nepromijenjen tijekom konačnog vremena pretvorbe. Kondenzator će se postupno prazniti malom ulaznom strujom izlaznog međuspremnika. Da bi se održala potrebna točnost, potrebno je da se tijekom pretvorbe naboj kondenzatora ne promijeni za više od 0,5 ULSB.

Digitalno-analogni pretvarači obično se instaliraju na izlazu mikroprocesorskog sustava kako bi se njegovi izlazni kodovi pretvorili u analogni signal koji se dovodi objektu kontinuirane kontrole. Idealan statički odziv 3-bitnog DAC-a prikazan je na slici 3.13.

Karakteristično polazište definiran kao točka koja odgovara prvom (nultom) ulaznom kodu U 00…0 . Karakteristična završna točka definiran kao točka koja odgovara posljednjem ulaznom kodu U 11…1 . Definicije raspona izlaznog napona, jedinice LSB, pogreške pomaka nule, pogreške omjera pretvorbe slične su onima za ADC.

Sa stajališta strukturne organizacije, DAC ima mnogo manje mogućnosti za izgradnju pretvarača. Glavna struktura DAC-a je tzv. "lanac R -2 R shema” (slika 3.14).

Lako je pokazati da je ulazna struja kruga I u = U REF / R , odnosno struje uzastopnih karika kruga Ja u /2, Ja u /4, Ja u /8 itd. Da bi se ulazni digitalni kod pretvorio u izlaznu struju, dovoljno je prikupiti sve struje krakova koji odgovaraju jedinicama u ulaznom kodu na izlaznoj točki pretvarača (slika 3.15).

Ako je operacijsko pojačalo spojeno na izlaznu točku pretvarača, tada se izlazni napon može odrediti kao

(3.22),

gdje je K – ulazni digitalni kod, N - bitna dubina DAC-a.

Svi postojeći DAC-ovi podijeljeni su u dvije velike skupine: DAC sa strujnim izlazom i DAC s naponskim izlazom. Razlika između njih leži u odsutnosti ili prisutnosti završne faze na operacijskom pojačalu u DAC čipu. DAC-ovi izlaznog napona potpuniji su uređaji i zahtijevaju manje dodatnih komponenti za rad. Međutim, završni stupanj, zajedno s parametrima ljestvičastog kruga, određuje dinamičke parametre i parametre točnosti DAC-a. Često je teško implementirati precizno operacijsko pojačalo velike brzine na istom čipu s DAC-om. Stoga većina DAC-ova velike brzine ima strujni izlaz.

Diferencijalna nelinearnost za DAC se definira kao odstupanje udaljenosti između dvije susjedne razine analognog izlaznog signala od idealne vrijednosti ULSB . Velika vrijednost diferencijalne nelinearnosti može uzrokovati da DAC postane nemonoton. To znači da će povećanje digitalnog koda dovesti do smanjenja izlaznog signala u nekom dijelu karakteristike (slika 3.16). To može dovesti do neželjene generacije u sustavu.

Integralna nelinearnost za DAC, definira se kao najveće odstupanje razine analognog izlaznog signala od ravne linije povučene kroz točke koje odgovaraju prvom i zadnjem kodu, nakon što su podešene.

Vrijeme taloženja DAC se definira kao vrijeme za koje će izlazni signal DAC-a biti postavljen na zadanu razinu s pogreškom ne većom od 0,5 ULSB nakon što se ulazni kod promijenio s vrijednosti 00…0 na vrijednost 11…1. Ako DAC ima ulazne registre, tada određeni dio vremena smirivanja nastaje zbog fiksnog kašnjenja u prolazu digitalnih signala, a samo preostali dio nastaje zbog inercije samog DAC sklopa. Stoga se vrijeme ustaljivanja obično ne mjeri od trenutka kada novi kod stigne na DAC ulaz, već od trenutka kada se izlazni signal koji odgovara novom kodu počne mijenjati, do trenutka kada se izlazni signal uspostavi s točnošću od 0,5U LSB (sl.3.17) .

U ovom slučaju, vrijeme smirivanja određuje maksimalnu frekvenciju uzorkovanja DAC-a.

(3.23),

gdje je t S - vrijeme taloženja.

Digitalni DAC ulazni sklopovi imaju konačnu brzinu. Osim toga, brzina širenja signala koji odgovaraju različitim bitovima ulaznog koda nije ista zbog širenja parametara elemenata i značajki kruga. Kao rezultat toga, krakovi ljestvičastog kruga DAC-a, kada stigne novi kod, ne prebacuju se sinkrono, već s određenim kašnjenjem jedan u odnosu na drugi. To dovodi do činjenice da se u dijagramu izlaznog napona DAC-a, kada se kreće od jedne stabilne vrijednosti do druge, uočavaju skokovi različitih amplituda i smjerova (slika 3.18).

Prema algoritmu rada, DAC je ekstrapolator nultog reda, čiji se frekvencijski odziv može prikazati izrazom

(3.24),

gdje w s - učestalost uzorkovanja. Frekvencijski odziv DAC-a prikazan je na slici 3.20.

Kao što se vidi, na frekvenciji od 0,5w s obnovljeni signal je prigušen za 3,92 dB u usporedbi s niskofrekventnim komponentama signala. Dakle, dolazi do blagog izobličenja spektra obnovljenog signala. U većini slučajeva ovo malo izobličenje ne utječe značajno na parametre sustava. Međutim, u slučajevima kada je potrebna povećana linearnost spektralnih karakteristika sustava (na primjer, u sustavima za obradu zvuka), za izjednačavanje rezultirajućeg spektra na izlazu DAC-a, potrebno je instalirati poseban filtar za oporavak s frekvencijom odgovor tipa x/grijeh(x).