1.1.1 Процесс аналого-цифрового преобразования

Предполагает последовательное выполнение следующих операций:

• выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые наперед заданные дискретные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала по времени;

• квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;

• кодирование — замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами.

Погрешность аналого-цифрового преобразования, обусловленная шумом квантования, при увеличении разрядности выходного кода может быть уменьшена до сколь угодно малой величины. Но в отличие от погрешности дискретизации по времени она принципиально присуща данному алгоритму и не может быть сведена к нулю выбором параметров устройства.

Рассмотренные погрешности обусловлены самим алгоритмом аналого-цифрового преобразования. Кроме них в реальных АЦП возникают погрешности, связанные с не идеальностью используемой элементной базы, т.е. инструментальные погрешности.

1.1.2 Процесс цифро-аналогово преобразования

Предполагает последовательное выполнение следующих операций:

• формирование в заданном диапазоне изменения выходного сигнала М его дискретных значений U^*_м , отличающихся на некоторое значение α , и постановка каждому сформированному уровню в соответствие некоторого кода К_i;

• последовательное, с заданным временным интервалом Т₁, присвоение выходному сигналу значений выделенных уровней, соответствующих входной последовательности кодов К_i.

Сам процесс цифро-аналогового преобразования не вносит собственных принципиальных погрешностей, а лишь материализует погрешности, полученные в АЦП. Реально возникающие при преобразовании погрешности носят чисто инструментальный характер.

Математически алгоритм цифро-аналогового преобразования можно записать в виде

Un_i = αKn_i + δUn_i

где δUn_i — погрешность преобразования на i-м шаге.

Нужно отметить, что погрешности, обусловленные самим алгоритмом работы, возникают только на этапе аналого-цифрового преобразования и их уменьшение требует уменьшения периода дискретизации и шага квантования.

Существует большое число признаков, по которым могут быть классифицированы ЦАП и АЦП. С этой точки зрения все существующие ЦАП могут быть разделены на два класса:

1. устройства, реализующие метод многократного суммирования одного эталона;

2. устройства, реализующие метод суммирования нескольких различных эталонов.

Цифро-аналоговые преобразователи первого класса используют при работе единственный эталон, число повторений (суммирований) которого определяется значением входного единичного кода. Этот код подается на вход ЦАП в последовательной форме.

Единичный код — число единиц в записи которого равно его числовому эквиваленту. Например, десятичное число 5 в единичном коде равно 11111.

Цифро-аналоговые преобразователи второго класса имеют число эталонов, равное разрядности входного кода. Причем значения этих эталонов пропорциональны величинам весовых коэффициентов используемого кода. Входной код подается на вход таких ЦАП в параллельной форме. Следует отметить, что в настоящее время используются только ЦАП второго класса.

Интегральные схемы ЦАП могут выполняться как функционально завершенными, т.е. не требующими для своей работы дополнительных элементов, так и функционально незавершенными. В последнем случае в качестве внешних элементов, как правило, применяют источник эталонного напряжения, операционный усилитель, регистры и т.д.

Работа с внешним источником эталонного напряжения позволяет разделить все ЦАП на две группы:

1. умножающие — работающие с изменяющимся во времени источником эталонного сигнала;

2. неумножающие — работающие с эталонным источником, величина которого в течение всего времени работы устройства остается постоянной.

С позиции используемого метода преобразования все АЦП делятся на:

• устройства, реализующие метод последовательного счета;

• устройства, реализующие метод поразрядного кодирования;

• устройства, реализующие метод считывания.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу последовательного счета, осуществляют уравновешивание входной аналоговой величины суммой одинаковых эталонов. Момент равенства этих величин фиксируется сравнивающим устройством. На выходе таких АЦП формируется последовательный единичный код. Далее этот код может быть преобразован к любому требуемому виду.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу поразрядного кодирования, используют несколько эталонов. Причем их число равно числу разрядов, а значения пропорциональны весовым коэффициентам выходного позиционного кода. Каждый эталон сравнивается с входной величиной устройством сравнения. Процесс сравнения начинается с эталона, имеющего максимальное значение. В зависимости от результата этого сравнения формируется цифра старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде формируется нулевое значение и производится сравнение входной величины с наибольшим из оставшихся эталонов. Если максимальный эталон оказался меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода формируется сигнал лог. 1 и дальнейшему сравнению подлежит сигнал разности входной величины и максимального эталона. Аналогичные действия выполняются для всех используемых эталонов.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу считывания, используют N эталонов (N — число уровней квантования). При этом младший эталон равен h (шагу квантования), следующий 2h и т.д. Входная величина сравнивается с каждым эталоном своим устройством сравнения, в результате чего на выходе устройства формируется параллельный единичный код, в котором число единиц соответствует числу эталонов, выходной сигнал которых меньше входного.