Основные технические характеристики аналого-цифровых преобразователей

В любом АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части. В цифровой части производятся кодирование, сравнение, сдвиг, счет и сложение цифровой информации, прием и обработка команд на выполнение других логических функций. В аналоговой части осуществляются операции сравнения, усиления, выборки и хранения, коммутации аналогового сигнала, а также операции по его сложению и вычитанию, делению и перемножению, интегрированию и выделению в промежуточную величину. Элементы, используемые при построении преобразователей, разделяются на цифровые (логические схемы, регистры сдвига, счетчики, компараторы напряжения, ключи и коммутаторы) и аналоговые. Электрические и эксплуатационные характеристики АЦП во многом зависят от характеристик этих элементов.

АЦП характеризуются точностью преобразования, временем преобразования (быстродействием), пределами изменения входной величины, чувствительностью (разрешающей способностью), формой представления входных и выходных величин, помехоустойчивостью.

Точность преобразования. По природе возникновения погрешность можно разделить на методическую и инструментальную. В АЦП методическая погрешность является следствием квантования непрерывной величины по уровню и дискретизации во времени. Замена аналоговой величины цифровым кодом всегда выполняется с погрешностью квантования, определяемой методом преобразования, и числом разрядов в выходном коде. Неустранимая составляющая погрешности, не зависящая от величины х, называется аддитивной составляющей погрешности, для снижения которой нужно уменьшать ступени квантования или шаг дискретизации.

В некоторых типах АЦП для увеличения быстродействия при сохранении той же средней точности используется переменная величина кванта. В первых тактах преобразования эта величина имеет большое значение, а затем происходит его уменьшение.

При проектировании АЦП стремятся свести общую погрешность измерения к одной лишь методической погрешности квантования, Однако реальные АЦП вследствие неидеальности используемых элементов обладают соответствующей инструментальной погрешностью. Она определяется суммарным влиянием погрешностей и нестабильностью параметров отдельных узлов и элементов, входящих в АЦП (отклонение значений ЭДС, сопротивлений от номиналов, изменение порога чувствительности и т.п.), влиянием шумов и помех, как в цепи входного сигнала, так и в узлах АЦП и из-за технологических отклонений в узлах АЦП, образовавшихся при изготовлении и эксплуатации АЦП с изменением внешних условий. Общая статическая погрешность АЦП равна сумме методической и инструментальной составляющих.

Для того чтобы погрешность не выходила за пределы цены деления ±т младшего разряда, необходимо соблюдать условие ДИНстр^0,5т.

Относительная погрешность ЦИП может быть представлена выражением [см. (2.15)]

где c=b+a/X_k; d=a/X_k — коэффициенты, характеризующие класс точности прибора в конце и начале диапазона; Х_к — конечное значение диапазона.

Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код. Оно определяется структурой преобразования, инерционностью входящих в него элементов и видом кодирования.

Время преобразования всегда должно быть меньше, чем минимально допустимый временной интервал между двумя последовательными циклами преобразования.

Пределы изменения входной величины. Любой преобразователь характеризуется возможным диапазоном преобразований входной величины (х_mах—x_min), который полностью определяется числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Порог чувствительности (разрешающая способность) — это наименьшее различимое преобразователем изменение входной величины.

Формы представления входных и выходных величин. Наиболее распространенные формы входных величин АЦП — напряжение или ток, временной интервал.

Для численного представления непрерывных сигналов могут использоваться различные системы кодирования: двоичная, двоично-десятичная, десятичная и др. Выбор системы кодирования определяется ее экономичностью, удобством считывания результата преобразования оператором, необходимостью согласования с измерительно-вычислительной системой, системой автоматического контроля и т. д. Выходной код может выдаваться последовательно или параллельно.

Помехоустойчивость — это способность прибора снижать величины, которые действуют вместе с измеряемыми величинами и искажают результат измерения. Количественно помехоустойчивость характеризуется коэффициентом подавления помех. Помеха может иметь постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая может быть образована термо-ЭДС, а переменная составляющая вызывается электромагнитными наводками промышленной сети. Коэффициент подавления помехи К (дБ) рассчитывают по формуле

K = 20 lg [E_{п шах}/U₀], (7.5)

где E_{п шах} — амплитудное значение помехи на входе прибора; U₀ — эквивалентное входное постоянное напряжение, вызывающее такое же изменение показаний прибора, что и E_{п шах}.