Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
Analog-to-Digital convertors (ADC)
АЦП служит для измерения напряжения, т.е. преобразования аналоговой информации в цифру. Амплитудам в диапазоне Vn + dV ставится в соответствие число n. Одной из характеристик АЦП является его разрядность, т.е. количество дискретных значений напряжения, на которые может делиться весь рабочий диапазон входных (анализируемых) напряжений. Когда АЦП используется для амплитудного анализа, число, получаемое на выходе АЦП используется для адресации памяти и называется номером канала, а dV - шириной канала. Номер канала несет информацию об амплитудном значении сигнала. Амплитуда в свою очередь связана с измеряемой физической величиной (энергией, временем и т.п.). Максимальное количество каналов связано с разрядностью АЦП. АЦП нередко служат интерфейсом между измерительной аппаратурой и компьютером. (Многоканальные анализаторы, в состав которых входят АЦП, по сути, специализированные ЭВМ.)
Современные АЦП обычно имеют до 14 двоичных разрядов (16384 каналов). В зависимости от требований эксперимента измерения могут производиться при разных диапазонах конверсии (512, 1024 и т.д.) вплоть до максимального, определяемого разрядностью АЦП
|
Интегральная нелинейность Iint характеризует отклонение реальной функции преобразования (штрихпунктир) от идеальной линейной (сплошная линия) (см. рис. 1). Интегральная нелинейность Iint определяется следующим образом Iint% = 100(Vnom - Vact)/Vmax,
где (Vnom - Vact) - максимальное отклонение от линейности.
Дифференциальная нелинейность Idif характеризует
неоднородность ширин каналов АЦП и определяется
следующим образом.
Idif% = 50(Wmax - Wmin)/Wavg,
где Wmax, Wmin и Wavg - максимальная, минимальная и средняя ширины каналов.
У качественных АЦП дифференциальная нелинейность ~1%, а интегральная <0.05% при 12-разрядном (4096 каналов) преобразовании.
В промышленной электронике было разработано много методов преобразования аналоговых величин в цифровой код. Однако в ядерной электронике используются только некоторые из них. В основном используются АЦП вилкинсоновского типа и АЦП поразрядного взвешивания. В последнее время в ядерной электронике стали использоваться и параллельные АЦП, входящие в состав цифровых процессоров сигналов.
Аналого-цифровой преобразователь вилкинсоновского типа
Принцип работы АЦП вилкинсоновского типа (D.H Wilkinson) основан на преобразовании амплитуда - время. Входной импульс поступает на дискриминатор нижнего уровня, уровень дискриминации которого обычно устанавливается выше уровня шумов (см. рис. 2). Когда уровень входного сигнала достигнет уровня дискриминации, линейные ворота открываются, и накопительная емкость C соединяется с входом (рис. 3а). Начинается заряд емкости до амплитудного значения входного сигнала. Когда емкость зарядится, линейные ворота закрываются, накопительная емкость отсоединяется от входа и присоединяется к источнику постоянного тока (рис. 3б). Начинается линейный разряд емкости. В это же время таймирующий (времязадающий) генератор подключается к адресному счетчику, который начинает считать импульсы таймирующего генератора. Частота генератора обычно 100 - 200 МГц. Когда емкость полностью разрядится, накопительная емкость отсоединяется от источника постоянного тока, а таймирующий генератор отсоединяется от адресного счетчика (рис. 3в) и начинается цикл записи в память. Число сосчитанных во время разряда емкости импульсов определяет время разряда накопительной емкости, а время линейного разряда пропорционально амплитуде анализируемого импульса. Полученное в адресном счетчике число (код) используется для адресации соответствующей ячейки памяти, куда добавляется единица.
Мертвое время у этого АЦП складывается из
= Tr + Tc + Tmc,
где Tr - время достижения максимума импульса, Tc - время конверсии, Tmc - время цикла записи. Времена Tr и Tmc около 1 мкс. Основной вклад в мертвое время вносит время конверсии, которое зависит от амплитуды входного импульса или соответственно от номера канала n (Tc = nTgen), где Tgen - период таймирующего генератора. Так Tc = 10 мкс при частоте генератора 100 МГц и n = 1000.
У АЦП вилкинсоновского типа малые интегральная и дифференциальная нелинейности, однако относительно большое мертвое время, которое к тому же зависит от амплитуды.