Синхронизация

Для управления работой ЦАП и АЦП предусматриваются выводы синхронизации. У ЦАП это вход строб-импульса, управляющего записью кода в регистры. У АЦП это вход старт-импульса, запускающего начало преобразования. АЦП, кроме этого, обычно имеют выход сигнала состояния: готовности или занятости (busy), сигнализирующего о выполнении или окончании цикла преобразования и готовности к выдаче результата.

Питание

Для улучшения шумовых характеристик у ЦАП и АЦП разделяют питание аналоговой и цифровой частей, для чего микросхемы имеют отдельные выводы питания и общего. Необходимо отметить необходимость строгого следования рекомендациям Data Sheet по выполнению линий питания и установке фильтрующих конденсаторов.

У микросхем ЦАП и АЦП наблюдается тенденция к уменьшению числа напряжений питания и их уровня. Ушли в прошлое микросхемы с тремя напряжениями питания (+12В, -12В и +5В), современные преобразователи, как правило, питаются от одного источника с пониженным напряжением от 2,7 до 5,5 В, а иногда и от 1,8 В.

1.2 Основные характеристики точности и производительности [д3]

Использование 12-разрядных АЦП совсем не означает, что проектируемая система будет иметь 12-разрядную точность. Точность АЦП определяется рядом его характеристик, в том числе интегральной и дифференциальной нелинейностью, смещением нуля и погрешностью наклона характеристики преобразования, точностью источника опорного напряжения, температурными эффектами и характеристиками по переменному току.

Точность АЦП по постоянному току обычно выше, чем по переменному и лучше описывается его характеристиками – для определения качества работы АЦП на переменном токе используется масса нестандартных характеристик, определяемых нестандартными методами.

Системные требования

Существует два наиболее популярных метода определения общей погрешности системы: среднеквадратический и наихудшего случая. Среднеквадратическая оценка определяется как корень квадратный от суммы квадратов всех составляющих ошибки. Этот метод применим при некоррелированности отдельных составляющих погрешности.

В методе наихудшего случая общая погрешность определяется суммированием всех составляющих ошибки. Эта оценка гарантирует, что погрешность никогда не будет больше. Действительная погрешность всегда меньше этой оценки (иногда много меньше). Она находится между этими оценками, но часто ближе к среднеквадратической оценке. При вычислении оценок могут использоваться типовые или максимальные значения составляющих – это зависит от бюджета погрешности, стандартного отклонения измеряемой величины, соотношения между отдельными составляющими и т.д. Нет универсального правила для выбора подхода.

Предположим, что требуется произвести преобразование с 10-разрядной точностью и общая погрешность не должна превысить 0,1%, а значит, для решения задачи требуется АЦП с более высокой разрядностью. Но без анализа его характеристик нельзя быть уверенным в обеспечении заданной точности, даже если выбран 12- или более высокоразрядный преобразователь. Например, интегральная нелинейность величиной 4 LSB снижает точность 12-разрядного АЦП до точности 10-разрядного, это в лучшем случае, т.е. при равенстве нулю других составляющих (в частности при калибровке и компенсации смещения нуля и погрешности наклона). В то же время АЦП с интегральной нелинейностью 0,5 LSB может после калибровки и компенсации смещения нуля и погрешности наклона дать точность 0,0122%. Чтобы определить потенциальную точность АЦП, надо разделить интегральную нелинейность на 2^N, где N – число бит. В нашем примере, если допустить 0,075% погрешности для АЦП, то остается только 0,025% на остальную схемотехнику, включая погрешность датчика, предварительного операционного усилителя, мультиплексора, и погрешности от сигналов других аналоговых устройств.

При этом расчете предполагалось, что бюджет погрешности определяется суммой составляющих погрешности всех схемных компонентов, включенных в сигнальном тракте. Другие предположения: измерения проводились на медленно меняющемся биполярном входном сигнале с полосой 1 кГц и в гарантированном диапазоне температур.

Характеристики АЦП на постоянном токе

Дифференциальная нелинейность (DNL)

Хотя и не упомянутая среди ключевых параметров АЦП, дифференциальная погрешность является первой из характеристик, по которым производится их выбор. Дифференциальная нелинейность характеризует, насколько далеки друг от друга могут быть два соседних кода. Она измеряется по изменению входного напряжения, выраженному в LSB (Рис.1.1а-d). Необходимо отметить, что INL является интегралом от DNL, поэтому она и не включена в перечень ключевых параметров АЦП. Признаком хорошего качества для АЦП является объявление отсутствия пропуска кодов (no missing codes). Это означает, что при изменении входного напряжения в пределах полного диапазона, на выходе АЦП появятся все возможные кодовые комбинации. Значение DNL<1 LSB гарантирует отсутствие пропуска кодов (Рис.1.1а). На рисунках 1.1b, 1.1c, 1.1d показаны варианты с тремя значениями DNL. С DNL=-0,5 LSB (Рис. 1.1b) у АЦП гарантированно нет пропуска кодов. При DNL=-1 LSB (Рис. 1.1с) такой гарантии уже нет (заметим, что код 10 пропущен). Однако, учитывая, что допуски при производственных тестах уже параметров спецификации, указание в спецификации DNL=1 LSB, гарантирует, что АЦП не имеет пропуска кодов. При DNL>-1 LSB (на рис. 1.1d DNL=-1,5 LSB) АЦП имеет пропуск кодов.

Рис.1.1а

Рис.1.1b

Рис.1.1c

Рис.1.1d

Пропуск кодов не всегда отрицательное явление. Если для системы необходимо только 13 разрядов разрешения и можно выбирать между 16-разрядным АЦП с DNL= 4 LSB, который реально имеет 14 разрядов без пропуска кодов и стоит 5$, и 16-разрядным АЦП с DNL= 1 LSB, который стоит 15$, выбор первого предпочтителен, поскольку позволяет снизить стоимость изделия и удовлетворить системные требования.

Интегральная нелинейность (INL)

Поскольку INL является интегралом от DNL, хорошая INL гарантирует хорошую DNL. INL характеризует насколько далека реальная характеристика преобразования АЦП от идеальной. Так, если в 12-разрядной системе INL = 2 LSB, это означает максимальную нелинейность 2/4096 или 0,05%. В отличие от смещения и погрешности наклона нет простых способов коррекции DNL и INL.

Смещение нуля и погрешность наклона

Смещение нуля и погрешность наклона могут быть достаточно просто откалиброваны с помощью микроконтроллера или цифрового сигнального процессора. В биполярной системе смещение нуля сдвигает характеристику преобразования (Рис.1.2), но не уменьшает числа возможных кодов. Есть два метода устранения ошибки в биполярной системе. В первом характеристика преобразования смещается по оси х и оси у так, чтобы совместить отрицательный конец характеристики преобразования с расчетным значением (Рис.1.3а). При этом устраняется смещение нуля, а затем поворотом характеристики вокруг нового нуля обеспечивается коррекция наклона.

Рис.1.2

Второй метод реализуется итерационно. Сначала подается нулевое напряжение на вход АЦП и определяется смещение нуля в биполярной системе. Затем выполняется коррекция наклона характеристики (Рис.1.3b). Необходимо отметить, что при изменении наклона характеристика вращается вокруг точки А (отрицательного конца характеристики преобразования), при этом нулевая точка смещается относительно желаемого положения. Для устранения смещения требуется повторение процедуры коррекции смещения нуля.

Рис.1.3а

Рис.1.3b

В однополярной системе немножко сложнее. Если смещение положительно, то можно использовать методологию двухполярной системы. Отличие здесь в том, что при калибровке теряется часть динамического диапазона АЦП (Рис.1.4). Если же смещение отрицательно, измерить его простым преобразованием нулевого сигнала невозможно, ведь при подаче любого отрицательного напряжения АЦП выдаст нулевой код. Для определения отрицательного смещения необходимо медленно повышать напряжение и засечь тот момент, когда код начнет изменяться. И в этом случае часть динамического диапазона будет потеряно.

Возвращаясь к нашему примеру можно рассмотреть два примера:

• Если смещение нуля +8 мВ при опорном напряжении 2,5 В, это соответствует 13 LSB для 12-разрядного АЦП. Хотя разрешение остается 12-разрядным, необходимо вычитать 13 единиц из результата каждого преобразования, чтобы компенсировать смещение нуля, и реальная шкала для этого преобразователя составляет в этом примере 2,5В·(4083/4096)=2,492В. Любое выходящее за этот предел напряжение находится вне динамического диапазона АЦП. Т.о. динамический диапазон АЦП будет сужен. Это явление еще более важно для АЦП с высоким разрешением; 8 мВ составляет 210 единиц младшего разряда для 16-разрядного АЦП (при опорном напряжении 2,5 В).

• Если смещение нуля -8 мВ при однополярном входе, тогда преобразование малых напряжений в области нуля не будет регистрироваться при преобразовании до тех пор, пока аналоговый входной сигнал не превысит +8 мВ. Это также сужает динамический диапазон АЦП.

Рис.1.4

Рис.1.5

Ошибка наклона характеристики определяется как ошибка полной шкалы минус смещение нуля (Рис.1.5). Ошибка полной шкалы измеряется в месте последнего изменения выходного кода на характеристике преобразования при ее сравнении с идеальной характеристикой преобразования АЦП. Ошибка наклона легко корректируется программно по линейной модели у=(m₁/m₂)x, где m₁ – наклон идеальной характеристики, а m₂ – наклон реальной измеренной характеристики (Рис.1.5).

Ошибка наклона в спецификации может включать, а может и не включать погрешности, вносимой опорным напряжением. При анализе спецификаций важно учитывать условия, при которых параметры определяются, в частности выполнялось ли определение при внешнем или внутреннем источнике опорного напряжения. Обычно погрешность наклона гораздо хуже при ее измерении с внутренним источником опорного напряжения. Если погрешность равна нулю, при подаче напряжения полной шкалы (Рис.1.6) на выходе код должен содержать одни единицы (3FFh для 12-разрядного примера). Поскольку реальный АЦП далек от идеального, можно получить все единицы в результате преобразования большего, чем напряжение полной шкалы, (при отрицательной ошибке наклона) или меньшем напряжении (при положительной ошибке шкалы). Есть два пути исправления ошибки наклона: либо изменить опорное напряжение так, чтобы он давал правильную шкалу, либо использовать программную коррекцию по линейной модели (или соответствующей таблице) для изменения наклона характеристики преобразования.

Так же как в случае смещения, ошибка наклона приводит к потере части динамического диапазона. Для примера, если на вход подается напряжение полной шкалы и на выходе вырабатывается код 4050 вместо расчетного 4096 (для 12-разрядного преобразователя), это определяется как отрицательная ошибка наклона и в этом случае верхние 46 кодов использованы не будут. Подобным образом, если максимальный код 4096 появится при подаче на вход напряжения меньшего, чем напряжение полной шкалы, динамический диапазон АЦП снова уменьшается (см. рис.1.6). Отметим, что при положительной ошибке полной шкалы, АЦП нельзя откалибровать за пределами напряжения, где АЦП дает код всех единиц.

Рис.1.6

Простейший путь справиться с погрешностью наклона и смещением нуля – найти АЦП с настолько низкими погрешностями, чтобы их не нужно было калибровать. В частности, найти 12-разрядный АЦП с погрешностью наклона и смещением меньше 4 LSB, что не составляет никакого труда.

Другие источники погрешности

Шум

Шум, который наблюдается при попадании входного сигнала в точку изменения кода на характеристике преобразования и приводит к мерцанию выходного кода, часто не специфицируется в справочных листах на АЦП. Даже АЦП с высоким разрешением (16 и более разрядов), где такой шум преобладает благодаря малому размеру дискрета, шум не специфицируется. Иногда размах шума может достигать нескольких дискретов. Для подавления шума необходимо взятие и усреднение ряда выборок входного сигнала. Количество усредняемых выборок определяется его размахом и желаемой степенью подавления. Улучшение точности определяется квадратным корнем из числа выборок, например, при усреднении 16 выборок размах шума уменьшается в 4 раза.

Опорное напряжение

Одной из наибольших потенциальных причин возникновения погрешности в АЦП является источник опорного напряжения. Часто встроенные в микросхему АЦП источники опорного напряжения не специфицируются должным образом. Рассмотрим три основных механизма возникновения погрешности: температурный дрейф, шум и изменение напряжения при вариациях нагрузки.

Температурный дрейф

Температурный дрейф – наиболее часто указываемая в спецификациях характеристика. Для примера отметим, как температурный дрейф опорного напряжения отражается на характеристиках АЦП (Рис.1.7). У 12-разрядного АЦП для обеспечения точности в пределах расширенного индустриального диапазона температур (-40°C - +85°C) дрейф опорного напряжения не должен превышать 4 ppm/°C. К несчастью не существует АЦП со встроенными источниками опорного напряжения, обеспечивающими такую стабильность. Если сузить рабочий диапазон температур до 10°C, то допустимую нестабильность можно повысить до 25 ppm/°C, однако и это требование трудно выполнимо для встроенных источников опорного напряжения. Макетирование часто не выявляет значительности этой погрешности, поскольку элементы для прототипа часто берутся из одной партии и производственный разброс не принимается во внимание.

Для некоторых систем точность опорного источника несущественна, поскольку в них температура стабилизируется, исключая проблемы дрейфа. Другие системы используют относительные измерения, где погрешность опорного источника устраняется, поскольку напряжение возбуждения датчика используется в качестве опорного для АЦП (Рис.1.8). Поскольку напряжение возбуждения и опорное возбуждение дрейфуют одинаково, влияние дрейфа исключается. Есть системы, в которых возможно проводить калибровку настолько часто, что дрейф опорного напряжения исключается. А некоторые системы вообще не требуют абсолютной точности, достаточно относительной точности.

Шум опорного напряжения

Это второй важный аспект опорного напряжения. Численная величина шума выражается среднеквадратическим значением или размахом. Если источник опорного напряжения имеет 2,5 В с размахом шума 500 мкВ (или среднеквадратичным значением 83 мкВ), этот шум составляет 0,02% и снижает уровень точности до 12 разрядов еще до выполнения каких либо операций по аналого-цифровому преобразованию.