2. Организация ввода-вывода сигналов и данных (1245060), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Еслииспользуется частота, то такой АЦП называется "преобразователем напряжение-частота" (ПНЧ).Их положительные свойства: для передачи информации требуется одноканальная линия связи. По существу ПНЧ преобразует Uвх в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать двоичный счетчик, который подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Тотсч=1/fотсч,задаваемый импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку.Иногда используются преобразователи напряжение-период выходных импульсов.

Это позволяет болееоперативно получать информацию об измеряемой величине.Параметры и характеристики АЦПВходные аналоговые сигналы Uвх могут принимать любые значения в диапазоне от 0 до Umax или от –Umax до Umax. Выходные сигналы D соответствуют 2n дискретным уровням, они образуют ступенчатую функциюиз 2n ступеней (рис. 7). Такую зависимость называют характеристикой преобразования или статической характеристикой (СХ) АЦП. На рис.7,а приведена идеальная СХ для 3-х разрядного беззнакового АЦП, где Uпш –напряжение полной шкалы; а на рис.

7,в - для биполярного АЦП.6СХ смещена влево на 1/2 МЗР с целью уменьшения погрешности квантования, которая смещается издиапазона (-1... 0) МЗР в диапазон (-1/2 ... +1/2) МЗР (рис. 7,в).hDусD111б)а)111110110101101см(3)100011(1)100010h001011(2)010001Uпш0000Uвх000DUвхв)1/7 2/7 3/7 4/7 5/7 6/7 7/7(4)UвхРис. 7. Статические характеристики:а) беззнакового АЦП (n=3), идеальная (1);линеаризованная (2);б) реальная (погрешности усиления исмещения) (3)в) с учетом знака сигнала/биполярного (4),шумов квантования (5)(5)Ошибкаh=1МЗР+h/2Uвх-h/2Разрядность (число разрядов) АЦП – одна из его важнейших характеристик. Она определяет максимальное число N=2n значений цифрового кода D, которое может формировать на своем выходе АЦП, т.е. различается 2n уровней Uвх (включая нулевой). У 8-разрядного АЦП на выходе 28 = 256 дискретных значений(0…255), т.е.

различается 256 уровней аналогового сигнала. В общем случае n  log 2 N .Величина Uвх, при которой происходит переход от одного значения выходного кода к другому соседнемузначению, называется напряжением межкодового перехода. Разность значений входных напряжений, соответствующих соседним межкодовым переходам, называется шагом квантования по уровню h. При идеальной СХ hсоответствует величине МЗР.Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходеАЦП. Она выражается в процентах, единицах МЗР или децибелах и характеризует потенциальные возможностиАЦП с точки зрения достижимой точности.Минимальное изменение величины Uвх, которое может быть преобразовано АЦП, связано с его разрядностью.

Шаг квантования h определяет разрешающую способность АЦП (без учёта шумов):U max  U min U пш n,N2 1U min  0, или U min  U max .hгдеU пш–диапазонизмененияUвх (полнаяшкала).ОбычноНапример: 1) для диапазона 0..10 В; n=12 разрядов, N=212=4096 уровней квантования, разрешающаяспособность в относительных единицах 1/212 или 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ,в абсолютных единицах h 10  0 0, 00244 B  2, 44 мВ ;40962) для диапазона −10...+10 В; n=14 бит, N=214 =16 384 уровней квантования10  ( 10)20 0, 00122 В  1, 22 мВ .1638416384Шумы в АЦП.

По своей природе АЦП вносит ошибки квантования. Это потерянная информация, т.к.для непрерывного аналогового сигнала должна быть бесконечная разрешающая способность АЦП, а реально онимеет конечное число разрядов.*Разность между квантованным U ВХ и неквантованным U ВХ напряжением (см. рис. 1) называют шумомh**квантования   U ВХ  U ВХ , если записать это в виде U ВХ  U ВХ   , то становится видно, что в цифровой системе обрабатывается не чистый дискретный сигнал, а его смесь с шумом квантования.7При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней U ВХ становится невозможным, т.е. ухудшается разрешение.

При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, т.к. содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношениеС/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (т.е. сигнал должен превышатьшум примерно в два раза).Таким образом, ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала, в зависимости от типа АЦПмогут быть двух типов:1) из-за округления (осуществляется переход к ближайшему уровню квантования) сигнала;2) из-за усечения (осуществляется переход к ближайшему меньшему уровню квантования, отбрасываниемладших разрядов) сигнала.Округление – этап квантования аналогового сигнала в АЦП, при котором осуществляется переходк ближайшему уровню квантования.Усечение – этап квантования аналогового сигнала в АЦП, при котором осуществляется переход кближайшему меньшему уровню квантования.Все параметры АЦП (также как и ЦАП) можно разделить на 2 группы: статические и динамические.Статические погрешности АЦПИз-за технологического разброса параметров при изготовлении реальные АЦП не имеют идеальной СХ,что естественно, влияет на статическую погрешность АЦП.

Рассмотрим некоторые из причин возникновения погрешностей (рис. 7):а) от смещения или установки нуля - параллельный сдвиг относительно идеальной СХ;б) от коэффициента преобразования/усиления (далее – погрешность усиления) - наклон СХ;в) от нелинейности СХ.Погрешность смещения см - характеризует отклонение начала СХ от заданного значения - это значениеUвх, при котором выходной код Dj равен нулю. Точка нуля – это середина ступеньки, соответствующей нулевойвыходной комбинации D0.

см вносит постоянную погрешность в результаты преобразования. Часто см указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы  см  см100 % .U пшПогрешность усиления – обусловлена разностью между действительным и идеальным значением коэффициента усиления. Она определяется отклонением Uвх, соответствующего конечной точке СХ, от идеальногозначения. Измеряется в единицах МЗР или в %. Как от ошибки смещения, так и от ошибки усиления теряетсядинамический диапазон АЦП.

Например (для 12-разрядного АЦП), если Uвх составляет 4050 шагов квантованияh (уровней) вместо идеальных 4096 , это определяется как отрицательная ошибка усиления. В этом случае46 уровней не будут использованы. Точно также, если 4096 уровней появляются при Uвх, меньшем, чем полнаяшкала, динамический диапазон АЦП снова уменьшается.В общем случае, погрешности смещения или усиления могут быть скомпенсированы (либо подстройкойаналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части).Погрешность от нелинейности обусловлена отклонением действительного значения входного напряжения, соответствующего заданной точке СХ, от значения, определяемого по идеальной СХ в той же точке; этотпараметр характеризует отклонение центров ступенек действительной СХ от прямой линии идеальной СХ.Монотонность СХ - это неизменность знака приращения кода D при монотонном изменении Uвх.Таким образом, с точки зрения статической точности работы, исчерпывающей характеристикой АЦП является его реальная характеристика преобразования.Динамические характеристики АЦПОни обусловлены дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.

Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.Динамический диапазон АЦП (DD) - отношение максимального воспринимаемого уровня Uвх к мини-  , при n=12мальному, выраженное в дБ: DD  20  lg 2nDD  20  lg  212   20  lg 4096  72 дб .Максимальная частота дискретизации - наибольшая частота, с которой происходит корректное образование выборочных значений сигнала, измеряется числом выборок в секунду.Максимальная частота преобразования АЦП – это наибольшая частота дискретизации, при которой выбранные параметры АЦП соответствуют нормам.Время преобразования - интервал времени от момента поступления выборки аналогового сигнала на входАЦП до момента появления устойчивого выходного кода/цифрового эквивалента.8Апертурное время ta - в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки ивременем, к которому она относится.

Это приводит к появлению так называемой апертурной погрешности, которая определяется приращением входного сигнала АЦП за время преобразования. Апертурная неопределенность приводит к ухудшению отношения сигнал/шум. Обычно для ее оценки используют синусоидальныйсигнал (рис.8).Uвх(t)U0+UРис. 8. Иллюстрация апертурнойпогрешностиUTПРt0tt1Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью СВХ,имеющих малое апертурное время. При работе АЦП без СВХ время преобразования является апертурным временем. Сигнал начала преобразования поступает в момент t0, а выходной код появляется в момент t1.

Характеристики

Список файлов лекций