Динамический диапазон изменения преобразуемых сигналов




Аналого-цифровые микросхемы. Лекция.

Основные понятия. Параметры аналого-цифровых преобразователей.

При любом преобразовании решается задача нахождения для каждой входной величины однозначно связанную с ней выходную величину. При этом входная и выходная величины имеют различные формы представления информации: цифровой код N или аналоговый сигнал А.

N→A - цифро-аналоговое преобразование;

А→N - аналого-цифровое преобразование;

Аналого-цифровое преобразование является операцией, устанавливающей отношение двух величин А и N.

Входной аналоговый сигнал А приближено представляется в виде доли эталонного напряжения Uо. При этом выходным сигналом преобразователя является цифровое слово N:

Формула написать,

Где n – длина цифр Формула написать, или Формула написать,

нового кода;

ai – разрядный коэффициент, принимающее значение 0 и 1.

Цифровой сигнал N есть кодовое представление этой доли. Если выходной код N является n разрядным, то число дискретных уровней равно 2ⁿ. Для взаимно-однозначного соответствия диапазон усиления входного сигнала должен быть разбит на такое число уровней.

 

Рисунок ТУТ

Каждый квант (величина интервала) такого разделения представляет собой значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями.

Этот квант называется величиной младшего значащего разряда(МЗР).

q= МЗР = ПД/2ⁿ.

ПД- полный диапазон изменения входного аналогового сигнала, которая должна соответствовать эталонному напряжению Uо.

 

Основные параметры АЦП.

1. Разрядность АЦП

2. Погрешности преобразователя (точность)

3. Быстродействие АЦП

4. Динамический диапазон

 

2) Погрешности АЦП

1. Статическая погрешность

2. Динамическая погрешность

Статическая погрешность ПФИ

Статическая погрешность подразделяется на погрешность квантования и инстументальную погрешность.

Погрешность квантования –методическая погрешность, вызванная квантованием аналоговой величины А по уровню.

∆R = F – Nq

где N – число эквивалент входной величины; q – шаг квантования; Nq- уровень квантования, ближайший к преобразуемой величине.

Для кодов с постоянными весами разрядов числовой эквивалент

N=Формула тут

где ai – разрядный коэффициент, который может принимать одно из P возможных значений (0,1,2, … Р-1); Р – основание системы счисления; n – кличество разрядов в цифровом коде.

В ИС АЦП и ЦАП наибольшее распространение получили двоичные коды с постоянными весами разрядов и двоично-десятичные коды. В некоторых типах преобразователей находят применение код Грея, в которых разряды не имеют постоянных весов.

Тогда для двоичной системы счисления:

N=Формула ТУТ

Шаг квантования q аналоговой величины А определяет потенциальную разрешающую способность R преобразователя по уровню.

Для АЦП – наименьшее различимое приращение входного напряжения, для ЦАП – наименьшее возможное преращение выходной величины аналогового сигнала.

Значение ∆R находится в диапазоне (1 ± 0,5q) и ввиду случайного характера А также случайно. При q «Амакс закон распределения погрешности квантования приближается к равномерному. Тогда среднеквадратичная погрешность квантования составляет:

ФОРМУЛА ТУТ

Для удобства сопоставления различных составляющих погрешностей, погрешность квантования отсчитывают в единицах младшего разряда (МЗР).

МЗР = q; R = МЗР; |∆R| ≤ 0,5 МЗР.

Инструментальная погрешность

Инструментальная погрешность преобразования – аппаратурная погрешность, состоящяя из погрешности настройки, временной нестабильности, температурной погрешности и погрешности возникающей от изменения параметров временных источников питания.

1)Погрешность временной нестабильности выражается в числовых значениях, характеризующих погрешности за некоторый промежуток времени (месяц, год) эксплуатации преобразователей.

Различают кратковременную и долговременную нестабильность.

2)Температурная погрешность выражается обычно в виде температурного коэффициента преобразователя (ТКП) и выражается в миллионных долях на 1 ̊С (10 в степени -6/ ̊С).

 

Зная число разрядов ПФИ и ТКП можно определить температурный диапазон, в котором погрешность от изменения температуры не будет представлять заданного значения точности (±МЗР/2 или ±1МЗР).

3) Погрешности, возникающие от изменения параметров внешних источников питания, выражаются также в миллионных долях на 1% изменения соответствующего внешнего параметра (10 в степени -6/1%).

Все инструментальны погрешности проявляются в виде:

1. Смещения нуля передаточной характеристики реального ПФИ от усреднённой прямой.

График

Основные источники:

1) напряжение смещения нуля и ненулевым двоичным током ОУ.

2) остаточными параметрами ключей

 

2. Изменение коэффициента передачи, характеризующего отклонение крутизны реальной передаточной характеристики от усреднённой прямой.

График

3. Погрешности нелинейности.

Различают интегральную и дефференциальную нелинейности.

 

 

График

 

Особым случаем нелинейности является возникновение не монотонной передаточной характеристики ПФИ. Монотонность характеризуется изменением в одной направление выходного значения АЦП или ЦАП при изменении входного сигнала в одном направление во всём рабочем диапазоне. Монотонность имеет место при изменении знака производной усредненной передаточной характеристики. В этом случае одному и тому же значению аналоговой величины соответствуют различные коды.

Быстродействие

Быстродействие ПФИ ограничиваются динамическими погрешностями, возникающими при квантовании аналоговой величины во времени. Динамические погрешности типа связаны временными параметрами ПФИ. Такими как время преобразования Тпр.

Время преобразования Тпр. – временной интервал от момента начала преобразования до момента времени появления ………………. выходного сигнала.

Для АЦП это интервал от момента пуска АЦП в работу до момента получения кода.

Для ЦАП это время установления Ту - интервал времени между моментом построения входного кода и моментом установления с заданной точностью выходного сигнала.

1) Динамичность погрешности 1-го рода – погрешность связанная инерционностью узлов и элементов …………………………………. АЦП;

2) Динамическая погрешность 2-го рода – погрешность АЦП связанная с изменением входного сигнала за время преобразования Тпр.

Оценим эту погрешность для n разрядного АЦП со временем преобразвования Тпр., необходимо выпонить следущее условие

 

ФОРМУЛЫТУТ

 

т.е. изменение выходного сигнала А за время Тпр не должно превышать шага квантования при 1МЗР.

Рассмотрим синусоидальный входной сигнал с амплитудой В и частотой f:

Аi = B Sin (2Пft)

Преобразование которого осуществляется с помощью 8 разрядного АЦП со временем преобразования Тпр = 100мкс.

Скорость изменения входного сигнала

 

Формула ТУТ, а

Максимальное значение этой величины состовляет при Cos(2Пft)=1;

Формула ТУТ

 

Пологая Amax = 2B (полный размах синусоидального сигнала), получаем согласно (1):

ФОРМУЛА ТУТ

 

 

Таким образом, даже в случае относительно главного синусоидального сигнала мы ограничены низкой частотой 12,4 Гц.

 

Динамический диапазон изменения преобразуемых сигналов

Динамический диапазон определяется отношением максимального значения входной или выходной величины к минимальному:

D = Amax/Amin = Nmax/Nmin.

Выражается D либо количеством разрядов выходного кода, либо в дицибелах:

Дб = 2-lg Amax/Amin.

 

Структуры ЦАП на ИС.

Принцип цифро-аналогового преобразователя заключается в суммировании аналоговых величин, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, разрядные коэффициенты которых ai = 1/

В зависимости от того, преобразуется цифровой код непосредственно в аналоговую величину или в начале преобразуется в промежуточный сигнал с последующим преобразованием в выходную аналоговую величину различают ЦАП с прямым преобразованием и ЦАП с промежуточным преобразованием в зависимости от алгоритма обработки разрядов входного кода разделяются на параллельные ЦАЛП и последовательные ЦАЛПС.

Параллельные ЦАЛП

В зависимости от вида источников ……….. токов ИС ЦАП разделяются на две группы:

1)ЦАП с с резистивными сетками(…………………………………………………..)

2) ЦАП с активными делителями (…………………………………………………..)

ЦАП с резистивными сетками

А) ЦАП с весовыми резисторами.

Б) ЦАП с резистивной сеткой R - 2R.

ЦАПП с генераторами опорных токов (взвешенными токами)

А) ЦАПП с источниками токов в разрядах

Б) ЦАПП с делителями опорных токов.

 

РИСУНОК ТУТ

 

 

Параллельные ЦАП

Подавляющие большинство выпускающих в настоящее время ИС ЦАП – параллельного действия.

Принцип работы ЦАПП основан на суммирование эталонных токов I1,I2, … In соответствующих весам разрядов. Обычно суммирование токов производится операционным усилителем, напряжение на выходе которого пропорционально входному коду N. Так для двоичного входного кода.

Формула ТУТ

Ai -



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-12 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: