Основные характеристики АЦП

Задача АЦП - автоматически транс­формировать бесконечное множество возможных значений вход­ной аналоговой величины в конечное множество (в ограниченный набор цифровых эквивалентов, кодов). Разрядность АЦП, его по­грешности, чувствительность, быстродействие, надежность в зна­чительной мере определяют окончательную достоверность резуль­татов измерения и регистрации, возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом.

Длина шкалы L характеризует число возмож­ных уровней преобразования (ступеней характеристики преобра­зования) АЦП. (число делений) ана­логовых стрелочных измерительных приборов. Длина шкалы L ЦИП определяется разрядностью АЦП.

Разрядность п -это число двоичных разрядов (бит) или десятичных разрядов Если разряд­ность АЦП - п двоичных разрядов (бит), то длина шкалы L = 2 ⁿ. Например, при п = 11 бит значение L = 2048.

Разрешающая способность R - это величина, обрат­ная длине шкалы L (R = 1: L)и характеризующая чувствительность АЦП. Чем больше длина шкалы L, тем лучше разрешающая спо­собность R и тем, следовательно, выше качество преобразования. Значение кванта q - единицы младшего значащего раз­ряда (МЗР) определяется отношением номинального U _номзначе­ния входного напряжения (или верхнего значения диапазона из­мерения) к длине шкалы L:

q = U _ном / L.

Для двоичных АЦП значение кванта q иногда обозначается Least Significant Bit (LSB), для десятичных АЦП - Least Significant Digit (LSD).

Например, если длина шкалы цифрового мультиметра L = 1999 точек (или округленно 2000 точек) и выбран диапазон измеряемых напряжений U _ном = 2 В, то вес кванта (единицы МЗР) в этом режи­ме q = 1 мВ. Чем меньше значение q,тем выше чувствительность преобразования и, как правило, выше точность. Значение кванта q определяет чувствительность АЦП и прибора в целом.

Погрешность квантования D_кв - важное понятие цифровой из­мерительной техники. Одним из основных источников недосто­верности преобразования аналогового сигнала в цифровой код яв­ляется процедура квантования, т.е. автоматического округления. Преобразование бесконечного множества возможных значений входного напряжения U в конечное число возможных уровней вы­ходного кода неизбежно приводит к появлению погрешности квантования D_кв. Эта погрешность принципиально неистребима, но может быть обеспечена удовлетворительно малой.

Функция погрешности квантования D_кв - это разница между реальной ступенчатой характеристикой преобразования и идеаль­ной линейной (рис. 6.1).

Конкретное значение погрешности D_кв в каждом отдельном ре­зультате преобразования - это случайная величина, равномерно распределенная на интервале кванта q. Все возможные значения этой погрешности лежат в диапазоне ± q /2 (плюс - минус полови­на кванта). Максимальное значение погрешности D_кв составляет по модулю q /2. Конечно, суммарная погрешность АЦП определяется не только погрешностью квантования. Реальная суммарная погреш­ность современных АЦП обычно находится в диапазоне 2... 5 еди­ниц младшего значащего разряда (т.е. 2 q... 5 q).

Рис. 6.1. Связь разрядности, длины шкалы и погрешности квантования: а - п= 1 бит, L = 2¹ = 2,

R = 1: 2; б - п= 2 бита, L = 2² = 4, R = 1: 4; в - п= 3 бита, L = 2³ = 8, R = 1: 8

Рис. 6.1 иллюстрирует зависимость выходного кода N АЦП от значения входного напряжения U,а также связь основных поня­тий: разрядности n, длины шкалы L,разрешающей способности R, веса кванта q и значения погрешности квантования D_кв на примере двоичных АЦП (т.е. АЦП, работающих в двоичной системе счисле­ния), входной сигнал которых - напряжение постоянного тока U. Случай разрядности п = 1 бит (см. рис. 6.1, а)соответствует про­стейшему АЦП с двумя возможными состояниями - 0 или 1.

Случай разрядности п = 2бита (см. рис. 6.1, б)соответствует АЦП с длиной шкалы L = 4. Случай п = 3 бита (см. рис. 6.1, в)соответ­ствует длине шкалы АЦП L = 8. Чем больше число двоичных разря­дов п,тем больше длина шкалы L (больше число возможных уров­ней квантования N_m),тем меньше погрешность квантования D_кв.

33 Основные типы АЦП

Типы АЦП
АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)