Динамічні параметри
Виникнення динамічних похибок пов'язане з дискретизацією сигналів, що змінюються в часі. Можна виділити наступні параметри АЦП, що визначають його динамічну точність.
Максимальна частота дискретизації (перетворення) - це найбільша частота, з якою відбувається утворення вибіркових значень сигналу, при якій вибраний параметр АЦП не виходить за задані межі. Вимірюється числом вибірок в секунду. Вибраним параметром може бути, наприклад, монотонність характеристики перетворення або похибка лінійності.
Час
перетворення (
)
- це час, відлічуваний від початку
імпульсу дискретизації або початку
перетворення до появи на виході стійкого
коду, що відповідає даній вибірці. Для
одних АЦП, наприклад, послідовного
рахунку або багатотактного інтегрування,
ця величина є змінною, залежною від
значення вхідного сигналу, для інших,
таких як паралельні або послідовно-паралельні
АЦП, а також АЦП послідовного наближення,
приблизно постійною. При роботі АЦП без
ПВЗ час перетворення є апертурним часом.
Час вибірки (стробування) - час, протягом якого відбувається утворення одного вибіркового значення. При роботі без ПВЗ дорівнює часу перетворення АЦП.
Шуми ацп
У ідеалі, перетворення фіксованого постійного вхідного сигналу, що повторюються, повинні давати один і той же вихідний код. Проте, унаслідок неминучого шуму в схемах АЦП, існує деякий діапазон вихідних кодів для заданої вхідної напруги. Якщо подати на вхід АЦП постійний сигнал і записати велике число перетворень, то в результаті вийде деякий розподіл кодів. Якщо підібрати розподіл Гауса до отриманої гістограми, то стандартне відхилення буде приблизно еквівалентним середньоквадратичному значенню вхідного шуму АЦП. Як приклад на рис.4.31 приведена гістограма результатів 5000 перетворень постійного вхідного сигналу, виконаних 16-розрядним двотактним послідовно-паралельним АЦП АD7884.
Рис.4.31. Гістограма результатів перетворення АЦП AD7884
Вхідна напруга з діапазону + 5 В була встановлена по можливості ближче до центру коду. Як видно з гістограми, всі результати перетворень розподілені на шість кодів. Середньоквадратичне значення шуму, що відповідає цій гістограмі, дорівнює 120 мкВ.
Системи збору даних і мікроконвертори
Поступове ускладнення АЦП, поява багатоканальних АЦП, АЦП з вбудованим пристроєм вибірки-зберігання, АЦП з складною цифровою частиною привело до того, що зараз є закінчені однокристальні системи збору даних, що забезпечують перетворення в цифровий код сигналів, які поступають від багатьох датчиків і передачу їх на МІКРОЕОМ. Блок-схема розвиненої системи збору даних приведена на рис. 4.32.
Рис.4.32. Блок-схема системи збору даних
Основу системи складає АЦП (зазвичай АЦП послідовного наближення). Щоб зменшити число корпусів ІМС, необхідних для створення системи збору даних, в схему вбудовані пристрій вибірки-збереження ПВЗ і джерело опорної напруги ДОН. Для підключення до декількох джерел вхідних аналогових сигналів використовується аналоговий мультиплексор. Щоб скоротити частоту переривань головного процесора деякі системи збору даних забезпечуються оперативним пристроєм зворотного магазинного типу із запам’ятовуванням FIFO - first input - first output (перший увійшов - перший вийшов). Вимірювальний підсилювач ВП, що входить в систему, міняє свій коефіцієнт посилення по команді від схеми управління. Це дозволяє вирівняти діапазони аналогових сигналів з різних входів.
Схема управління може включати оперативний запам’ятовувальний пристрій (ОЗП), в який завантажується від головного процесора блок робочих команд. Ці команди містять відомості про те, які операційні режими використовувати, які з вхідних каналів повинні бути однопровідними, а які - об'єднуватися з утворенням диференціальних пар, наскільки часто і в якому порядку слід проводити вибірку для кожного каналу. Вбудований в систему збору даних цифровий таймер визначає темп перетворення АЦП.
Характерним прикладом системи збору даних є AD7581 (вітчизняний аналог - 572ПВ4), 8-входовый, що містить, аналоговий мультиплексор, 8-розрядний АЦП послідовного наближення, і пристрій FIFO з організацією 8х8 біт. Інший приклад - AD1В60, що містить 8-входовий аналоговий мультиплексор, вимірювальний підсилювач з програмованим коефіцієнтом посилення від 1 до 128, 16-розрядний АЦП на основі інтегруючого ПНЧ, ДОН, мікропроцесор, ОЗП режиму і ПЗП конфігурації. Однією з найбільш розвинених є система збору даних LM12458, яка містить 8-входовый аналоговий мультиплексор, ПВЗ, 13-розрядний АЦП послідовного наближення, пам'ять типу FIFO з організацією 32х16 біт, ОЗП команд і 16-бітовий цифровий таймер.
Для підвищення швидкодії встановлення коефіцієнта передачі і вибірка даних може здійснюватися по кожному каналу індивідуально. Так, наприклад, 4-х канальна система збору даних AD7865 містить чотири ланцюги масштабування вхідного сигналу і чотири пристрої вибірки/збереження, включені до мультиплексора.
Особливим класом пристроїв з аналого-цифровими перетворювачами є мікроконвертори. Якийсь час назад були спроби створення аналогових програмованих матриць, тобто пристроїв, що включають операційні підсилювачі і інші аналогові блоки, зв'язок між якими можна було встановити програмним шляхом. Ці спроби комерційного успіху не мали. Недавно деякі фірми, наприклад, Analog Devices, почали випуск програмованих пристроїв для перетворення аналогових сигналів, що включають багатоканальний АЦП, мікроконтролер і одно- або двоканальний ЦАП. Такий мікроконвертор приймає аналогові сигнали, перетворює їх в цифрові коди, за програмою, записаною в ПЗП мікроконтролера, обробляє ці коди і з допомогою ЦАП знов перетворює результати в аналогові сигнали. Поступаючись чисто аналоговим пристроям тільки в швидкодії, така схема відрізняється великою функціональною гнучкістю і точністю. Зокрема, мікроконвертор ADuC812 містить 8-канальний мультиплексор, ПВЗ, 12-розрядний АЦП послідовного наближення з продуктивністю 200 кПс, два 12-розрядних ЦАП і мікроконтролер з системою команд сімейства MCS-51.