Az analóg-digitális átalakítókat arra tervezték, hogy az analóg jelet (általában feszültséget) digitális formává alakítsák (rendszeres időközönként mért digitális feszültségértékek sorozata). Az analóg-digitális átalakítók egyik legfontosabb paramétere a kimeneti adatok bitmélysége. Ez a paraméter határozza meg az átalakítás jel-zaj arányát, és végső soron a digitális jel dinamikatartományát. Megpróbálják növelni az ADC bitmélységét, hogy növeljék a jel-zaj arányt. Az analóg-digitális átalakító jel-zaj aránya a következő képlettel határozható meg:

SN=N× 6 + 3,5 (dB)

Ahol N— a bináris bitek száma az ADC kimeneten.

Ugyanilyen fontos paramétere az ADC-nek az az idő, amely alatt a következő digitális jelminta a kimenetén érkezik. A nagy konverziós sebesség és a nagy bitmélység elérése nagyon nehéz feladat, amelyre számos analóg-digitális átalakítót fejlesztettek ki. Tekintsük főbb jellemzőiket és alkalmazási területeiket.

A leggyorsabb típusú ADC a. Az ilyen típusú ADC-k átviteléhez nagy adatfolyamok szükségesek, ezért párhuzamosan továbbítják őket. Ez azt eredményezi, hogy a párhuzamos ADC-k nagyszámú külső érintkezővel rendelkeznek. Ennek eredményeként a párhuzamos ADC chipek méretei meglehetősen nagyok. A párhuzamos ADC-k másik jellemzője a jelentős áramfelvétel. Az ilyen típusú ADC felsorolt ​​hátrányai az az ár, amelyet az analóg jelek digitális megjelenítési formájára való nagy sebességéért kell fizetni. A párhuzamos ADC-k konverziós sebessége eléri az 500 millió mintát másodpercenként (500 MSPS). Kotelnyikov tétele szerint a bemeneti jel maximális frekvenciája elérheti a 250 MHz-et. Ilyen például az Analog Devices AD6641-500 chipje vagy az Intersil ISLA214P50 chipje.

A még nagyobb konverziós sebesség elérése érdekében több, egymás után működő párhuzamos ADC párhuzamos csatlakoztatását alkalmazzák. Ugyanakkor a feldolgozó chiphez történő adatátvitel biztosítása érdekében több párhuzamos buszt kell használni (egy-egy ADC-hez). Az ilyen típusú analóg-digitális konverterekre példa a Maxim MAX109 ADC chip, amely akár 2,2 GSPS átalakítási sebességet biztosít.

Az ADC egy kicsit gazdaságosabb típusa. Az ilyen típusú ADC-kben a digitális-analóg konverterek részt vesznek az analóg-digitális átalakítási folyamatban. Az analóg jelminták kimenetre történő küldésének nagy sebessége pipeline feldolgozás révén valósul meg. Ennek eredményeként a soros-párhuzamos FWG-k esetében az átalakítási sebesség és a következő digitális minta kimeneti sebessége nem esik egybe. Példaként megnevezhetjük az AD6645 és AD9430 mikroáramköröket az Analog Devices-ből.

Jelenleg az ADC leggyakoribb típusa. Annak ellenére, hogy az ilyen típusú analóg-digitális átalakítókban a csővezetékes adatfeldolgozás nem lehetséges, ami azt jelenti, hogy az átalakítási idő és az adatkimeneti periódus az ADC kimeneten egybeesik, az ilyen típusú ADC elegendő sebességgel rendelkezik a működéshez. feladatok széles skálája.

Jelenleg a mintavételezéses (S&H) jelmintavételezés és a feszültség-bináris átalakítás (digitális jelminták) egyetlen chipen történik. A párhuzamos kimenetű ADC csatlakoztatásának tipikus kapcsolási rajza az 1. ábrán látható.

1. ábra: Az ADC0804 párhuzamos ADC bekötési rajza

Ebben az áramkörben az A/D átalakítás elindításához a mikroprocesszornak vagy a programozható logikai áramkörnek konverziós indítójelet kell biztosítania (ebben az áramkörben ez a WR jel). Az átalakítás befejezése után az ADC chip INTR adatkészenléti jelet ad ki, és a mikroprocesszor ki tudja olvasni a bemeneti feszültségnek megfelelő bináris kódot. A jel Kotelnyikov tétele szerinti konvertálásakor a mintavételi frekvencia f d belép a WR bemenetre és stabilitását a mikroprocesszor biztosítja.

Megjegyzendő, hogy az alacsony frekvenciájú jelek feldolgozásakor gyakran szükséges az A/D és a D/A konverzió egyidejű végrehajtása is. Bizonyos esetekben több analóg csatornát kell kombinálni egy chipben, például sztereó hangfeldolgozáshoz. Ezen túlmenően az ilyen típusú mikroáramkörök tartalmaznak alacsony frekvenciájú vagy sáváteresztő szűrőket és műveleti erősítőket, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy közvetlenül a mikrofonkimenetről a bemenetükre, a kimenetről pedig a telefonra továbbítsanak jelet. Az ilyen típusú ADC/DAC chipek különleges nevet kaptak - kodekek.

Irodalom:

1. Analod-Digital Conversion, Walt Kester szerkesztő, Analog Devices, 2004. - 1138 p.
2. Vegyes jel és DSP tervezési technikák ISBN_0750676116, Walt Kester szerkesztő, Analog Devices, 2004. - 424 p.
3. High Speed ​​​​System Application, Walt Kester szerkesztő, Analog Devices, 2006. - 360 p.

Az "Analóg-digitális átalakítók (ADC-k) típusai" cikkel együtt olvasható:

Nézzük meg a főbb problémák körét, amelyek a különböző típusok működési elveihez köthetők. Szekvenciális számlálás, bitenkénti kiegyensúlyozás – mit rejtenek ezek a szavak? Mi az ADC mikrokontroller működési elve? Ezeket, valamint számos más kérdést is megvizsgálunk a cikk keretein belül. Az első három részt az általános elméletnek szenteljük, a negyedik alcímtől pedig ezek működési elvét tanulmányozzuk. Különféle szakirodalomban találkozhat az ADC és DAC kifejezésekkel. Ezeknek az eszközöknek a működése kissé eltér, ezért ne keverje össze őket. Tehát a cikk az analóg-digitális formát vizsgálja, míg a DAC fordítva működik.

Meghatározás

Mielőtt megvizsgálnánk az ADC működési elvét, nézzük meg, milyen eszközről van szó. Az analóg-digitális átalakítók olyan eszközök, amelyek egy fizikai mennyiséget a megfelelő numerikus ábrázolássá alakítanak át. A kezdeti paraméter szinte bármi lehet - áram, feszültség, kapacitás, ellenállás, tengely forgási szöge, impulzusfrekvencia stb. De az biztos, hogy csak egy átalakítással fogunk dolgozni. Ez a "feszültség kód". Ennek a munkaformátumnak a választása nem véletlen. Végül is az ADC (ennek a készüléknek a működési elve) és jellemzői nagymértékben függenek attól, hogy milyen mérési koncepciót használnak. Ez egy bizonyos érték és egy korábban megállapított szabvány összehasonlításának folyamata.

ADC jellemzői

A legfontosabbak a bitmélység és a konverziós frekvencia. Az első bitben, a második pedig másodpercenkénti számban van kifejezve. A modern analóg-digitális átalakítók 24 bites felbontással vagy átalakítási sebességgel rendelkeznek, amely eléri a GSPS egységeket. Kérjük, vegye figyelembe, hogy az ADC egyszerre csak egy jellemzőt tud Önnek biztosítani. Minél nagyobbak a mutatóik, annál nehezebb az eszközzel dolgozni, és maga az eszköz is többe kerül. De szerencsére az eszköz sebességének feláldozásával megkaphatja a szükséges bitmélység-jelzőket.

Az ADC-k típusai

A működési elve az eszközcsoportonként eltérő. A következő típusokat nézzük meg:

1. Közvetlen átalakítással.
2. Egymás utáni közelítéssel.
3. Párhuzamos átalakítással.
4. Analóg-digitális átalakító töltéskiegyenlítéssel (delta-szigma).
5. ADC-k integrálása.

Sok más szállítószalag- és kombinációs típus létezik, amelyeknek megvannak a sajátos jellemzői a különböző architektúrákkal. De azok a minták, amelyeket a cikk keretein belül megvizsgálunk, azért érdekesek, mert indikatív szerepet játszanak az ilyen jellegű eszközök résében. Ezért tanulmányozzuk az ADC működési elvét, valamint a fizikai eszköztől való függését.

Közvetlen analóg-digitális átalakítók

A múlt század 60-as és 70-es éveiben váltak nagyon népszerűvé. A 80-as évek óta gyártják ilyen formában. Ezek nagyon egyszerű, sőt primitív eszközök, amelyek nem dicsekedhetnek jelentős teljesítménnyel. Bitszélességük általában 6-8 bit, sebességük ritkán haladja meg az 1 GSPS-t.

Az ilyen típusú ADC működési elve a következő: a komparátorok pozitív bemenetei egyidejűleg kapnak bemeneti jelet. A negatív kapcsokra egy bizonyos nagyságú feszültség kerül. Ezután a készülék meghatározza az üzemmódját. Ez a referenciafeszültségnek köszönhetően történik. Tegyük fel, hogy van egy 8 komparátoros készülékünk. Ha ½ referenciafeszültséget alkalmaznak, csak 4 kapcsol be. A prioritási kódoló létrejön és rögzítésre kerül a kimeneti regiszterben. Az előnyök és hátrányok tekintetében elmondhatjuk, hogy a munka lehetővé teszi nagy sebességű eszközök létrehozását. De a kívánt bitmélység eléréséhez keményen kell dolgozni.

A komparátorok számának általános képlete így néz ki: 2^N. Az N alatt meg kell adni a számjegyek számát. A korábban tárgyalt példa ismét használható: 2^3=8. A harmadik számjegy megszerzéséhez összesen 8 komparátorra van szükség. Ez az elsőként létrehozott ADC-k működési elve. Nem túl kényelmes, ezért később más architektúrák jelentek meg.

Egymást követő közelítő analóg-digitális átalakítók

Ez egy "súlyozási" algoritmust használ. Röviden, az ezzel a technikával működő eszközöket egyszerűen soros számláló ADC-knek nevezik. A működés elve a következő: a készülék megméri a bemeneti jel értékét, majd összehasonlítja azt egy bizonyos módszerrel előállított számokkal:

1. A lehetséges referenciafeszültség fele be van állítva.
2. Ha a jel az 1. ponttól kezdve túllépte az értékhatárt, akkor azt összehasonlítja azzal a számmal, amely a fennmaradó érték között van. Tehát esetünkben a referenciafeszültség ¾-e lesz. Ha a referenciajel nem éri el ezt a mutatót, akkor az intervallum másik részével összehasonlítás történik ugyanezen elv szerint. Ebben a példában ez ¼ referenciafeszültség.
3. A 2. lépést N-szer meg kell ismételni, így N bitet kapunk az eredményből. Ez annak köszönhető, hogy N számú összehasonlítást végeztünk.

Ez a működési elv lehetővé teszi viszonylag nagy konverziós sebességű eszközök előállítását, amelyek egymás utáni közelítésű ADC-k. A működési elve, mint láthatja, egyszerű, és ezek az eszközök tökéletesek különféle esetekre.

Párhuzamos A/D átalakítók

A soros eszközökhöz hasonlóan működnek. A számítási képlet: (2^H)-1. A korábban tárgyalt esethez (2^3)-1 komparátorra lesz szükségünk. A működéshez ezeknek az eszközöknek egy meghatározott tömbjét használják, amelyek mindegyike össze tudja hasonlítani a bemeneti és az egyedi referenciafeszültséget. A párhuzamos analóg-digitális átalakítók meglehetősen gyors eszközök. De ezeknek az eszközöknek a tervezési elve olyan, hogy jelentős teljesítményre van szükség a funkcionalitás fenntartásához. Ezért nem tanácsos akkumulátorról használni.

Analóg-digitális átalakító bitkiegyenlítéssel

Hasonló séma szerint működik, mint az előző készülék. Ezért a bitenkénti kiegyensúlyozó ADC működésének magyarázata érdekében a kezdőknek szóló működési elvet szó szerint egy pillantással tárgyaljuk. Ezek az eszközök a dichotómia jelenségén alapulnak. Más szavakkal, a mért érték szekvenciális összehasonlítása a maximális érték egy bizonyos részével történik. ½, 1/8, 1/16 és így tovább értékek vehetők fel. Ezért egy analóg-digitális átalakító a teljes folyamatot N iterációban (egymást követő lépésben) tudja végrehajtani. Ráadásul H egyenlő az ADC bitkapacitásával (nézd meg a korábban megadott képleteket). Így jelentős időnyereségünk van, ha különösen fontos a berendezés sebessége. Jelentős sebességük ellenére ezekre az eszközökre az alacsony statikus hiba is jellemző.

Analóg-digitális átalakítók töltéskiegyenlítéssel (delta-szigma)

Ez a legérdekesebb készüléktípus, nem utolsósorban a működési elve miatt. Ez a bemeneti feszültség és az integrátor által felhalmozott feszültség összehasonlításából áll. A negatív vagy pozitív polaritású impulzusok a bemenetre kerülnek (minden az előző művelet eredményétől függ). Így elmondhatjuk, hogy egy ilyen analóg-digitális átalakító egy egyszerű nyomkövető rendszer. De ez csak egy példa összehasonlításra, hogy megértse az ADC-t. A működési elve rendszerszintű, de az analóg-digitális átalakító hatékony működéséhez nem elegendő. A végeredmény az egyesek és nullák végtelen folyama, amely átfolyik a digitális aluláteresztő szűrőn. Egy bizonyos bitsorozat alakul ki belőlük. Különbséget tesznek az első és a másodrendű ADC átalakítók között.

Analóg-digitális átalakítók integrálása

Ez az utolsó speciális eset, amelyet a cikk tárgyal. Ezt követően leírjuk ezeknek az eszközöknek a működési elvét, de általános szinten. Ez az ADC egy analóg-digitális átalakító push-pull integrációval. Hasonló eszközt találhat egy digitális multiméterben. És ez nem meglepő, mert nagy pontosságot biztosítanak, és ugyanakkor jól elnyomják az interferenciát.

Most koncentráljunk a működési elvére. Abból áll, hogy a bemeneti jel meghatározott ideig tölti a kondenzátort. Ez az időszak általában az eszközt tápláló hálózat frekvenciájának egysége (50 Hz vagy 60 Hz). Lehet több is. Így a nagyfrekvenciás interferencia megszűnik. Ugyanakkor a hálózati áramforrás instabil feszültségének az eredmény pontosságára gyakorolt ​​​​hatását semlegesíti.

Amikor az analóg-digitális átalakító töltési ideje lejár, a kondenzátor bizonyos rögzített sebességgel kezd lemerülni. A készülék belső számlálója számolja a folyamat során generált óraimpulzusok számát. Így minél hosszabb az időszak, annál jelentősebbek a mutatók.

A Push-pull integrációs ADC-k rendkívül pontosak, és ennek, valamint viszonylag egyszerű felépítésüknek köszönhetően mikroáramkörökhöz hasonló kialakításúak. Ennek a működési elvnek a fő hátránya a hálózati indikátortól való függése. Ne feledje, hogy képességei az áramforrás frekvenciaperiódusának időtartamához vannak kötve.

Így működik a kettős integrációs ADC. Bár ennek az eszköznek a működési elve meglehetősen összetett, minőségi mutatókat biztosít. Bizonyos esetekben ez egyszerűen szükséges.

A szükséges működési elvű APC-t választjuk

Tegyük fel, hogy egy bizonyos feladat előtt állunk. Melyik készüléket válasszuk, hogy minden igényünket kielégítse? Először is beszéljünk a felbontásról és a pontosságról. Nagyon gyakran összezavarodnak, bár a gyakorlatban nagyon gyengén függnek egymástól. Ne feledje, hogy egy 12 bites A/D konverter kevésbé pontos lehet, mint a 8 bites A/D konverter. Ebben az esetben a felbontás annak mértéke, hogy a mért jel bemeneti tartományából hány szegmens nyerhető ki. Így a 8 bites ADC-kben 2 8 =256 ilyen egység van.

A pontosság a kapott konverziós eredmény teljes eltérése az ideális értéktől, amelynek egy adott bemeneti feszültségnél lennie kellene. Vagyis az első paraméter az ADC potenciális képességeit jellemzi, a második pedig azt mutatja meg, hogy a gyakorlatban mikkel rendelkezünk. Ezért egy egyszerűbb típus (például direkt analóg-digitális átalakítók) megfelelő lehet számunkra, amely a nagy pontosság miatt kielégíti az igényeket.

Ahhoz, hogy elképzelése legyen arról, hogy mire van szükség, először ki kell számítania a fizikai paramétereket, és létre kell hoznia egy matematikai képletet az interakcióhoz. Fontosak bennük a statikus és a dinamikus hibák, mert ha különböző komponenseket és elveket használunk egy eszköz felépítéséhez, azok eltérő hatással lesznek a jellemzőire. Részletesebb információkat az egyes eszközök gyártója által kínált műszaki dokumentációban talál.

Példa

Vessünk egy pillantást az SC9711 ADC-re. Ennek az eszköznek a működési elve mérete és képességei miatt összetett. Egyébként, ha az utóbbiról beszélünk, meg kell jegyezni, hogy valóban sokfélék. Így például a lehetséges működési frekvencia 10 Hz és 10 MHz között van. Más szavakkal, másodpercenként 10 millió mintát vehet fel! Maga a készülék pedig nem valami szilárd, hanem moduláris felépítésű. De általában összetett technológiában használják, ahol nagyszámú jellel kell dolgozni.

Következtetés

Mint látható, az ADC-k különböző működési elveken alapulnak. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy olyan eszközöket válasszunk, amelyek kielégítik az Ön igényeit, és egyben lehetővé teszi a rendelkezésre álló források bölcs kezelését.

A kényelem kedvéért a cikket 2 részre osztjuk.

I. rész

ADC vagy analóg-digitális átalakítás.

Az analóg berendezésekben az analóg hang folyamatos elektromos jel formájában működik, viszont csak digitális adatokkal működik; Ezért a számítógép hangja digitális.

Szerintem már van némi zavarod a „hangok” között. A félreértések elkerülése végett gondoljuk át, mi is ez digitális hangés hogyan alakítják át az analógot „digitálissá”.

Digitális hang- egy módszer egy audiojel megjelenítésére amplitúdójának diszkrét számértékein keresztül.

Szokás szerint megpróbálok mindent egyszerűbben elmagyarázni. Kicsit ismétlem magam.

A hanghullám egy összetett függvény, amely leírja amplitúdójának időfüggőségét.

Ennek a hullámnak a digitalizálásához le kell írni, megőrizve egy diszkrét értéket meghatározott pontokhoz.

Minden időpontban meg kell mérni a hanghullám amplitúdó értékét, és az így kapott értéket számok formájában le kell írni. De mivel az amplitúdóértékeket nem lehet 100%-os pontossággal rögzíteni, ezeket kerekített formában kell leírni. Ami ennek következtében az eredeti jel enyhe torzulását vonja maga után. Más szóval, ez a függvény az amplitúdó és az idő koordináta tengelye mentén kerül közelítésre.

Mint látható, a jel digitalizálási folyamata két szakaszból áll.

1. Először – mintavétel (mintavétel)

2. A második a kvantálás.

Mintavétel- a konvertált jel értékeinek bizonyos időközönkénti megszerzésének folyamata. Más szavakkal, ez olyan, mint egy jel „mintavételezése” meghatározott értékek szerint.

Kvantálás- a kapott jelamplitúdóértékek legközelítőbb pontosságú cseréjének folyamata.

Mint fentebb említettük, egy jel konvertálásakor kerekíteni kell az értékeket, mivel lehetetlen a „valódi” amplitúdóérték ideális (lényegében végtelen) pontossággal rögzíteni. Ehhez a számítógépeknek nagyobb (több mint 1 TB) RAM-ra lenne szükségük, és a végtelenségig lehet finomítani, ami ennek következtében végtelen mennyiségű memóriával rendelkező RAM létrehozását vonja maga után.

A kerekítés pontosságát a kvantálási szint (vagy a kvantálási bitmélység) befolyásolja. Minél nagyobb a szintek száma, annál kisebb az amplitúdóérték kerekítése, ami kisebb hibát eredményez.

A fentiek alapján már levonhatjuk azt a következtetést, hogy egy jel digitalizálása magában foglalja a hanghullám amplitúdójának meghatározott időközönkénti rögzítését, és az eredmény rögzítését minimális hibával.

Egy másik következtetés önmagát sugallja. Minél nagyobb a mintavételi frekvencia és a kvantálási bitmélység, annál pontosabb a vett jel leírása.

A minőség közvetlenül függ a digitalizáláshoz választott paraméterektől. Ezek a mintavételi frekvencia (KHz-ben kifejezve) és a bitmélység (bitben kifejezve).

Más szóval, minél nagyobb a bitmélység és a mintavételi frekvencia, annál jobb a jel minősége, és annál nagyobb a digitalizált adatok mennyisége. Ezért itt kell keresni az „arany középutat” a súly és a minőség között.

Kotelnyikov tétele (az angol irodalomban Nyquist-Shannon tétel vagy mintavételezési tétel) kimondja, hogy ha egy analóg jelnek véges (korlátozott szélességű) spektruma van, akkor egyedileg és veszteség nélkül visszaállítható a frekvenciával vett diszkrét mintáiból. szigorúan nagyobb, mint a felső frekvencia kétszerese.

„Normál emberi nyelvre fordítva” a hangról szóló legteljesebb információ megszerzéséhez, mondjuk a 22 000 Hz-ig terjedő frekvenciatartományban, legalább 44,1 kg-os mintavételre van szükség.

Ez azt sugallja, hogy nincs értelme a magas mintavételezési frekvenciák hajszolásának, mivel a 44,1 KHz-es frekvencia lefedi az ember által hallható teljes frekvenciatartományt, sőt, még egy kicsit magasabbat is.

rész II

Digitális-analóg átalakítás.

Ahhoz, hogy a hangot a digitalizálás után hallgathassuk, vissza kell alakítani analógra.

Az analóg jelet erősítők és más analóg eszközök feldolgozhatják, és hangszórórendszerek reprodukálhatják.

A digitális jelet analóg - digitális-analóg átalakítóvá (DAC) alakítja át. Az átalakítási folyamat inverz ADC eljárás.

A modern rendszerek egy audio interfészen keresztül reprodukálják és rögzítik a hangot, melynek feladata az audio információk bevitele és kiadása, pl. Ez egy olyan eszköz, amely az analóg jelet digitális jellé alakítja és fordítva.

Az audio interfész működése egyszerűbben magyarázható.

Először a bemeneti analóg hang belép az analóg bemenetbe (vagy keverőbe), majd elküldik az ADC-hez, amely kvantálja és mintavételezi. Az eredmény egy digitális audiojel, amely a buszon keresztül jut el a számítógéphez, és digitális hangot kap .

Hanginformáció kiadásakor hasonló folyamat megy végbe, csak az ellenkező irányba. Az adatfolyam egy DAC-n halad át, amely a jel amplitúdóját meghatározó számokat elektromos - analóg jellé alakítja.

Sematikusan minden úgy néz ki, mint az 1. ábra

Szeretném megjegyezni, hogy ha az audio interfész fel van szerelve digitális adatok cseréjére szolgáló interfésszel, akkor a digitális hanggal való munka során egyik analóg blokkja sem érintett - így a konverterek megkerülésével a hang szinte olyan marad. van.

APC- Ezt A adó C digitális Pátalakító Angolul ADC (A adó- D digitális C onverter). Vagyis egy speciális eszköz, ami digitálissá alakítja.

Az ADC-t a digitális technológiában használják. Különösen szinte minden modernnek van beépített ADC-je.

Amint azt valószínűleg már tudja, a mikroprocesszorok (mint a számítógépes processzorok) nem értenek mást, mint a bináris számokat. Ebből következik, hogy a mikroprocesszor (amely minden mikrokontroller alapját képezi) nem tud közvetlenül analóg jelet feldolgozni.

A mikrokontroller ADC-je általában csak a 0-tól a mikrokontroller tápfeszültségéig terjedő tartományban méri a feszültséget.

ADC jellemzői

Különböző ADC-k vannak különböző jellemzőkkel. A fő jellemző a bitmélység. Vannak azonban mások is. Például az ADC bemenetre csatlakoztatható analóg jel típusa.

Mindezek a jellemzők le vannak írva az ADC dokumentációjában (ha azt külön chipnek tervezték) vagy a mikrokontroller dokumentációjában (ha az ADC be van építve a mikrokontrollerbe).

A már korábban tárgyalt bitkapacitáson kívül még több alapvető jellemzőt megnevezhetünk.

Legkisebb jelentőségű bit (LSB). Ez a legkisebb bemeneti feszültség, amelyet az ADC mérhet. A képlet határozza meg:

1 LSB = Uop / 2 R

Ahol Uop a referenciafeszültség (az ADC specifikációiban feltüntetve). Például 1 V referenciafeszültséggel és 8 bites bitszélességgel a következőket kapjuk:

1 LSB = 1 / 2 8 = 1 / 256 = 0,004 V

Integral Non-linearity – az ADC kimeneti kód integrált nemlinearitása. Nyilvánvaló, hogy minden átalakítás torzulásokat okoz. Ez a jellemző pedig meghatározza a kimeneti érték nemlinearitását, vagyis az ADC kimeneti értékének az ideális lineáris értéktől való eltérését. Ezt a jellemzőt LSB-ben mérik.

Más szóval, ez a jellemző határozza meg, hogy milyen „görbe” lehet a kimeneti jel grafikonján egy vonal, amely ideális esetben egyenes legyen (lásd az ábrát).

Abszolút precizitás. LSB-ben is mérve. Más szóval, ez mérési hiba. Például, ha ez a karakterisztika +/- 2 LSB, és LSB = 0,05 V, akkor ez azt jelenti, hogy a mérési hiba elérheti a +/- 2 * 0,05 = +/- 0,1 V-ot.

Az ADC-nek más jellemzői is vannak. Kezdetnek azonban ez több mint elég.

ADC csatlakozás

Hadd emlékeztesselek arra, hogy alapvetően két típus létezik: áram és feszültség. Ezenkívül a jeleknek lehet szabványos és nem szabványos értéktartománya. Az analóg jelértékek szabványos tartományait a GOST-ok írják le (például GOST 26.011-80 és GOST R 51841-2001). De ha az eszköze valamilyen házi készítésű érzékelőt használ, akkor a jel eltérhet a szabványostól (bár azt tanácsolom, hogy minden esetben válasszon szabványos jelet - a szabványos érzékelőkkel és más eszközökkel való kompatibilitás érdekében).

Az ADC-k elsősorban a feszültséget mérik.

Megpróbálok beszélni arról (általánosságban), hogy hogyan csatlakoztassunk egy analóg érzékelőt egy ADC-hez, majd hogyan kezeljük azokat az értékeket, amelyeket az ADC produkál.

Tehát tegyük fel, hogy -40...+50 fokos tartományban szeretnénk hőmérsékletet mérni egy speciális 0...1V szabványos kimenetű érzékelővel. Tegyük fel, hogy van egy érzékelőnk, ami -50...+150 fokos tartományban tud hőmérsékletet mérni.

Ha egy hőmérséklet-érzékelő szabványos kimenettel rendelkezik, akkor általában az érzékelő kimenetén lévő feszültség (vagy áram) lineárisan változik. Vagyis könnyen meg tudjuk határozni, hogy adott hőmérsékleten milyen feszültség lesz az érzékelő kimenetén.

Mi az a lineáris törvény? Ekkor a grafikonon látható értéktartomány egyenes vonalnak tűnik (lásd az ábrát). Tudva, hogy a -50 és +150 közötti hőmérséklet olyan feszültséget ad az érzékelő kimenetén, amely lineáris törvény szerint változik, ezt a feszültséget, ahogy már mondtam, ki tudjuk számítani egy adott tartomány bármely hőmérsékleti értékére.

Általánosságban elmondható, hogy esetünkben ahhoz, hogy egy hőmérsékleti tartományt feszültségtartományba alakítsunk át, valahogyan össze kell hasonlítanunk két skálát, amelyek közül az egyik egy hőmérsékleti tartomány, a másik pedig egy feszültségtartomány.

A feszültséget a hőmérséklet alapján vizuálisan meghatározhatja a grafikon segítségével (lásd a fenti ábrát). De a mikrokontrollernek nincs szeme (bár persze lehet szórakozni és mikrokontrolleren olyan eszközt készíteni, ami képes felismerni a képeket és a grafikonon látható feszültségből meghatározni a hőmérséklet értékét, de ezt a szórakozást hagyjuk a robotika rajongóinak )))

Először is meghatározzuk a hőmérsékleti tartományt. Nálunk -50 és 150, azaz 201 fok között van (a nulláról se feledkezzünk meg).

És a mért feszültségek tartománya 0 és 1 V között van.

Vagyis a 0-tól 200-ig (összesen 201-ig) be kell szorítanunk a 0-tól 1-ig terjedő skálán.

A konverziós tényező megkeresése:

K = U / Td = 1 / 200 = 0,005 (1)

Ez azt jelenti, hogy ha a hőmérséklet 1 fokkal változik, az érzékelő kimenetén a feszültség 0,005 V-tal változik. Itt Td a hőmérséklet-tartomány. Nem a hőmérsékleti értékeket, hanem a hőmérsékleti skálán lévő mértékegységek (esetünkben fokok) számát a feszültségskálával összehasonlítva (nullát az egyszerűség kedvéért nem veszünk figyelembe, hiszen a feszültségtartományban is van nulla ).

Ellenőrizzük a használni kívánt mikrokontroller ADC-jének jellemzőit. Az LSB érték ne legyen több K-nál (esetünkben 0,005-nél több, pontosabban ez akkor elfogadható, ha megelégszik egy mértékegységnél nagyobb - esetünkben 1 foknál nagyobb - hibával).

Lényegében K a volt per fok, vagyis így tudtuk meg, hogy milyen értékkel változik a feszültség, ha a hőmérséklet 1 fokkal változik.

Most már minden szükséges adatunk megvan ahhoz, hogy az ADC kimeneti értékét hőmérsékleti értékké konvertáljuk a mikrokontroller programban.

Emlékszünk, hogy 50 fokkal eltoltattuk a hőmérsékleti tartományt. Ezt figyelembe kell venni az ADC kimeneti érték hőmérsékletre való konvertálásakor.

A képlet pedig a következő lesz:

T = (U / K) - 50 (2)

Például, ha az ADC kimenet 0,5 V, akkor

T = (U / K) - 50 = (0,5 / 0,005) - 50 = 100 - 50 = 50 fok

Most meg kell határoznunk a diszkrétséget, vagyis a kívánt mérési pontosságot.

Mint emlékszel, az abszolút hiba több LSB is lehet. Ezen kívül vannak nemlineáris torzítások is, amelyek általában 0,5 LSB-nek felelnek meg. Vagyis az ADC teljes hibája elérheti a 2-3 LSB-t.

A mi esetünkben ez:

Fel = 3 LSB * 0,005 = 0,015 V

Vagy 3 fok.

Ha az Ön esetében minden nem olyan sima, akkor ismét az (1)-ből származó képletet használjuk:

Td = fel / K = 0,015 / 0,005 = 3

Ha a 3 fokos hiba megfelel Önnek, akkor nem kell semmit módosítania. Nos, ha nem, akkor nagyobb bitkapacitású ADC-t kell választania, vagy másik érzékelőt kell találnia (más hőmérséklet-tartományban vagy eltérő kimeneti feszültséggel).

Például, ha sikerül találni egy -40...+50 tartományú érzékelőt, ahogy szerettük volna, és ugyanazzal a kimenettel 0...1V, akkor

K = 1/90 = 0,01

Ekkor az abszolút hiba a következő lesz:

Td = Fel / K = 0,015 / 0,01 = 1,5 fok.

Ez már többé-kevésbé elfogadható. Nos, ha van egy 0...5V-os kimenetű szenzorod (ez is szabványos jel), akkor

K = 5/90 = 0,05

És az abszolút hiba a következő lesz:

Td = Fel / K = 0,015 / 0,05 = 0,3 fok.

Ez egyáltalán nem semmi.

De! Ne feledje, hogy itt csak az ADC hibát vizsgáljuk. De magának az érzékelőnek is van egy hibája, amit szintén figyelembe kell venni.

De mindez már az elektronika és a metrológia területéről származik, így ezt a cikket itt fejezem be.

És a végén, minden esetre, megadom a képletet a hőmérséklet feszültséggé való visszaváltására:

U = K * (Tv + 50) = 0,005 * (150 + 50) = 1

P.S. Ezt a cikket egy kemény munkanap után írtam, ezért ha valahol hibáztam, elnézést kérek)))

3. sz. előadás

"Analóg-digitális és digitális-analóg átalakítás."

A mikroprocesszoros rendszerekben az impulzuselem szerepét egy analóg-digitális átalakító (ADC), az extrapolátor szerepét pedig egy digitális-analóg konverter (DAC) tölti be.

Analóg-digitális átalakítás az analóg jelben lévő információ digitális kóddá alakításából áll . Digitális-analóg átalakítás az inverz feladat végrehajtására készült, azaz. konvertálja a digitális kódként ábrázolt számot egyenértékű analóg jellé.

Az ADC-ket általában a digitális vezérlőrendszerek visszacsatoló áramköreibe telepítik, hogy az analóg visszacsatoló jeleket a rendszer digitális része által érzékelt kódokká alakítsák. Hogy. Az ADC-k számos funkciót látnak el, mint például: időmintavétel, szintkvantálás, kódolás. Az ADC általánosított blokkdiagramja a 3.1. ábrán látható.

Az ADC bemenetére áram vagy feszültség formájában jelet juttatnak, amelyet az átalakítási folyamat során szinttel kvantálnak. A 3 bites ADC ideális statikus karakterisztikáját a 3.2. ábra mutatja.

A bemeneti jelek bármilyen értéket felvehetnek a következő tartományban: Umaxtól Umaxig , és a kimenetek nyolc (2 3) diszkrét szintnek felelnek meg. Annak a bemeneti feszültségnek az értékét, amelynél az ADC kimeneti kód egyik értékéről egy másik szomszédos értékre átmenet történik, ún. interkód átmeneti feszültség. Az interkód átmenetek két szomszédos értéke közötti különbséget nevezzük kvantálási lépés vagy a legkisebb jelentőségű bit egysége (LSB).A transzformációs jellemzők kiindulópontja a bemeneti jel értéke által meghatározott pont, ként definiálva

(3.1),

ahol U 0,1 – az első interkód átmenet feszültsége, U LSB – kvantálási lépés ( LSB – Least Significant Bit ). átalakítása az összefüggés által meghatározott bemeneti feszültségnek felel meg

(3.2).

Az ADC bemeneti feszültség tartománya korlátozott U 0,1 és U N-1,N hívott bemeneti feszültség tartomány.

(3.3).

Bemeneti feszültség tartomány és LSB érték N -bites ADC és DAC az arány szerint van összekötve

(3.4).

Feszültség

(3.5)

hívott teljes skálájú feszültség ( FSR – Teljes skálatartomány ). Ezt a paramétert általában az ADC-hez csatlakoztatott referencia feszültségforrás kimeneti szintje határozza meg. A kvantálási lépés nagysága vagy a legkisebb jelentőségű számjegy egysége, azaz. egyenlő

(3.6),

és a legjelentősebb számjegy mértékegységének értéke

(3.7).

Amint a 3.2. ábrán látható, az átalakítási folyamat során olyan hiba lép fel, amely nem haladja meg a legkisebb jelentőségű bit értékének felét U LSB /2.

Különféle módszerek léteznek az analóg-digitális átalakításra, amelyek pontosságban és sebességben különböznek egymástól. A legtöbb esetben ezek a jellemzők antagonisztikusak egymással. Jelenleg az olyan típusú konverterek, mint az egymást követő közelítésű ADC-k (bitenkénti kiegyensúlyozás), integráló ADC-k, párhuzamos ( Vaku ) ADC, „sigma-delta” ADC stb.

Az egymást követő közelítés ADC blokkvázlata a 3.3. ábrán látható.

A készülék fő elemei egy komparátor (K), egy digitális-analóg konverter (DAC) és egy logikai vezérlő áramkör. A konverziós elv a bemeneti jel szintjének szekvenciális összehasonlításán alapul a kimeneti kód különböző kombinációinak megfelelő jelszintekkel, és az összehasonlítások eredményei alapján a kapott kód kialakításán. Az összehasonlított kódok sorrendje megfelel a felezés szabályának. Az átalakítás elején a DAC bemeneti kód olyan állapotba kerül, amelyben a legjelentősebb bitek kivételével minden bit 0, a legjelentősebb pedig 1. Ezzel a kombinációval a bemeneti feszültségtartomány felével egyenlő feszültség keletkezik a DAC kimenet. Ezt a feszültséget összehasonlítja a komparátor bemeneti feszültségével. Ha a bemeneti jel nagyobb, mint a DAC-ból érkező jel, akkor a kimeneti kód legjelentősebb bitje 1-re, ellenkező esetben 0-ra áll vissza. A következő órajelnél az így részben előállított kód ismét a DAC bemenetén fogadva a következő bitet egyre állítjuk, és az összehasonlítás megismétlődik. A folyamat addig folytatódik, amíg a legkisebb jelentőségű bitet össze nem hasonlítjuk. Hogy. alkotnak N -bites kimeneti kód szükséges N azonos elemi összehasonlító ciklusok. Ez azt jelenti, hogy a többi tényező változatlansága mellett az ilyen ADC teljesítménye csökken a bitkapacitás növekedésével. Az egymást követő közelítő ADC belső elemeinek (DAC és komparátor) pontosságának jobbnak kell lennie, mint az ADC legkisebb szignifikáns bitjének fele.

A párhuzamos ( Vaku ) Az ADC a 3.4.

Ebben az esetben a bemeneti feszültséget azonnal meg kell adni az azonos nevű bemenetekkel való összehasonlításhoz N -1 összehasonlító. A komparátorok ellentétes bemeneteit egy nagy pontosságú feszültségosztó jelei látják el, amely referencia feszültségforráshoz van csatlakoztatva. Ebben az esetben az osztókimenetek feszültségei egyenletesen oszlanak el a bemeneti jel változásainak teljes tartományában. A prioritási kódoló a legmagasabb komparátornak megfelelő digitális kimeneti jelet állít elő aktivált kimeneti jel mellett. Hogy. szolgáltatni N -bit átalakítás szükséges 2 N osztó ellenállások és 2 N -1 összehasonlító. Ez az egyik leggyorsabb konverziós módszer. Nagy kapacitás esetén azonban nagy hardverköltségeket igényel. Az összes osztó és komparátor ellenállás pontosságának ismét jobbnak kell lennie, mint az LSB érték fele.

A kettős integrációs ADC blokkvázlata a 3.5. ábrán látható.

A rendszer fő elemei egy gombokból álló analóg kapcsoló SW 1, SW 2, SW 3. ábra, I integrátor, K komparátor és C számláló. Az átalakítási folyamat három fázisból áll (3.6. ábra).

Az első fázisban a kulcs zárva van S.W. 1, és a többi gomb nyitva van. Zárt kulcson keresztül S.W. Az 1. ábrán a bemeneti feszültséget egy integrátorra kapcsoljuk, amely integrálja a bemeneti jelet egy meghatározott időintervallumban. Ezen időintervallum után az integrátor kimeneti jelének szintje arányos a bemeneti jel értékével. Az átalakulás második szakaszában a kulcs S.W. 1 kinyílik és a kulcs S.W. A 2 bezárul, és a referencia feszültségforrásból jel érkezik az integrátor bemenetére. Az integráló kondenzátor az első konverziós intervallumban felhalmozott feszültségről a referenciafeszültséggel arányos állandó sebességgel kisüt. Ez a szakasz addig folytatódik, amíg az integrátor kimeneti feszültsége nullára nem esik, amint azt a komparátor kimenete jelzi, amely az integrátor jelét nullához hasonlítja. A második fokozat időtartama arányos az átalakító bemeneti feszültségével. A teljes második szakasz alatt kalibrált frekvenciájú nagyfrekvenciás impulzusokat küldenek a számlálóra. Hogy. a második fokozat után a digitális mérőállások arányosak a bemeneti feszültséggel. Ezzel a módszerrel nagyon jó pontosság érhető el anélkül, hogy magas követelményeket támasztanánk az alkatrészek pontosságával és stabilitásával szemben. Különösen az integrátor kapacitásának stabilitása lehet nem magas, mivel a töltési és kisütési ciklusok a kapacitással fordítottan arányos ütemben fordulnak elő. Ezenkívül a komparátor eltolódási és eltolási hibáit úgy kompenzálja, hogy minden átalakítási lépést ugyanazon a feszültségen indítanak és fejeznek be. A pontosság javítása érdekében az átalakítás harmadik szakaszát használják, amikor az integrátor kulcson keresztül visz be S.W. 3 nulla jelet adunk. Mivel ebben a lépésben ugyanazt az integrátort és komparátort használjuk, a nullánál lévő kimeneti hibaérték levonása a következő mérési eredményekből a nullához közeli mérésekkel kapcsolatos hibák kompenzálására. Még a pulthoz érkező órajelek frekvenciájára sem támasztanak szigorú követelményeket, mert az átalakítás első szakaszában rögzített időintervallumot képeznek ugyanazok az impulzusok. Szigorú követelmények csak a kisülési áramra vonatkoznak, pl. a referencia feszültségforráshoz. Ennek az átalakítási módszernek a hátránya az alacsony teljesítmény.

Az ADC-ket számos paraméter jellemzi, amelyek lehetővé teszik egy adott eszköz kiválasztását a rendszer követelményei alapján. Az összes ADC paraméter két csoportra osztható: statikus és dinamikus. Az előbbiek a készülék pontossági jellemzőit határozzák meg állandó vagy lassan változó bemeneti jellel történő munkavégzéskor, az utóbbiak pedig úgy jellemzik a készülék teljesítményét, hogy a bemeneti jel frekvenciájának növekedésével a pontosságot megtartja.

A bemeneti jel nulla közelében lévő kvantálási szint –0,5 interkód átmeneti feszültségnek felel meg U LSB és 0,5 U LSB (az első csak bipoláris bemeneti jel esetén fordul elő). A valós eszközökben azonban ezek az interkódolási átmeneti feszültségek eltérhetnek ezektől az ideális értékektől. Az interkód átmenetek ezen feszültségeinek az ideális értékétől való eltérését nevezzük bipoláris nulla eltolási hiba ( Bipoláris nulla hiba ) És unipoláris nullaponteltolás hiba ( Nulla offset hiba ) ill. A bipoláris konverziós tartományokhoz általában a nulla eltolási hibát, az unipoláris konverziós tartományokhoz pedig az unipoláris eltolási hibát használják. Ez a hiba a valós transzformációs karakterisztika párhuzamos eltolódását eredményezi az ideális karakterisztikához képest az abszcissza tengely mentén (3.7. ábra).

Az utolsó interkód átmenetnek megfelelő bemeneti jelszint eltérése az ideális értékétől U FSR -1,5 U LSB , hívott teljes léptékű hiba ( Teljes léptékű hiba).

ADC konverziós arány a valós transzformációs karakterisztika kezdő- és végpontján keresztül húzott egyenes dőlésszögének érintőjének nevezzük. A konverziós együttható tényleges és ideális értéke közötti különbséget nevezzük konverziós tényező hibája ( Gain Error ) (3.7. ábra) Tartalmazza a skála végén lévő hibákat, de nem tartalmazza a skála nullánál lévő hibákat. Az unipoláris tartomány esetében a teljes skálahiba és az unipoláris nulla eltolási hiba különbségeként, a bipoláris tartomány esetében pedig a teljes skálahiba és a bipoláris nulla eltolási hiba közötti különbségként definiálható. Valójában mindenesetre ez az utolsó és az első interkód-átmenet közötti ideális távolság eltérése (egyenlő U FSR -2 U LSB ) valós értékétől.

A nullaponteltolás és az erősítési hibák az ADC előerősítő beállításával kompenzálhatók. Ehhez egy voltmérővel kell rendelkeznie, amelynek pontossága nem rosszabb, mint 0,1 U LSB . A két hiba függetlenségének biztosítása érdekében először a nulla eltolási hibát, majd az átalakítási együttható hibát javítsa ki.Az ADC nulla eltolási hibájának kijavításához a következőket kell tennie:

1. Állítsa be a bemeneti feszültséget pontosan 0,5-re U LSB;

2. Állítsa be az ADC előerősítő eltolását, amíg az ADC 00…01 állapotba nem vált.

A konverziós tényező hibájának kijavításához szükséges:

1. Állítsa be a bemeneti feszültséget pontosan a szintre U FSR -1,5 U LSB ;

2. Állítsa be az ADC előerősítő erősítését addig, amíg az ADC 11...1 állapotba nem vált.

Az ADC áramkör elemeinek tökéletlensége miatt az ADC karakterisztika különböző pontjain a lépések nagyságrendben különböznek egymástól és nem egyenlőek U LSB (3.8. ábra).

Két szomszédos valós kvantálási lépés felezőpontja közötti távolság eltérése a kvantálási lépés ideális értékétől U LSB hívott differenciális nemlinearitás (DNL – Differential Nonlinearity). Ha a DNL nagyobb vagy egyenlő U LSB , akkor az ADC-nek lehetnek úgynevezett „hiányzó kódjai” (3.3. ábra). Ez az ADC átviteli együttható helyi éles változását vonja maga után, ami a zárt hurkú vezérlőrendszerekben a stabilitás elvesztéséhez vezethet.

Azoknál az alkalmazásoknál, ahol fontos a kimeneti jel adott pontosságú fenntartása, fontos, hogy az ADC kimeneti kódok a lehető legpontosabban illeszkedjenek a kódok közötti átmeneti feszültségekhez. A valós ADC karakterisztika kvantálási lépésének középpontjának maximális eltérését a linearizált karakterisztikától ún. integrál nemlinearitás (INL – Integral Nonlinearity) illrelatív pontosság (Relatív pontosság) ADC (3.9. ábra).

A linearizált karakterisztikát a valós transzformációs karakterisztika szélső pontjain keresztül húzzuk át, miután azokat kalibráltuk, pl. A nulla eltolás és a konverziós tényező hibáit kiküszöböltük.

Szinte lehetetlen egyszerű eszközökkel kompenzálni a differenciális és integráli nemlinearitás hibáit.

ADC felbontás ( Felbontás ) az ADC kimeneten található kódkombinációk maximális számának reciproka

(3.8).

Ez a paraméter határozza meg, hogy az ADC milyen minimális bemeneti jelszintet érzékel (a teljes amplitúdójú jelhez viszonyítva).

A pontosság és a felbontás két független jellemző. A felbontás döntő szerepet játszik, ha fontos a bemeneti jel adott dinamikatartományának biztosítása. A pontosság akkor kritikus, ha a szabályozott változót egy adott szinten, rögzített pontossággal kell tartani.

Az ADC dinamikatartománya (DR – Dinamikus tartomány ) a maximális észlelt bemeneti feszültségszint és a minimum aránya, dB-ben kifejezve

(3.9).

Ez a paraméter határozza meg az információ maximális mennyiségét, amelyet az ADC képes továbbítani. Tehát egy 12 bites ADC-hez DR =72 dB.

A valódi ADC-k jellemzői eltérnek az ideális eszközök jellemzőitől a valódi eszköz nem ideális elemei miatt. Nézzünk meg néhány valódi ADC-t jellemző paramétert.

Jel-zaj arány(SNR – jel/zaj arány ) a bemeneti szinuszos jel effektív értékének a zaj effektív értékéhez viszonyított aránya, amely az összes többi spektrális komponens összege a mintavételi frekvencia feléig, az egyenáramú komponens nélkül. A tökéletesért N -bites ADC, amely csak kvantálási zajt generál SNR , decibelben kifejezve, így definiálható

(3.10),

ahol N – ADC kapacitás. Tehát egy 12 bites ideális ADC-hez SNR =74 dB. Ez az érték nagyobb, mint ugyanazon ADC dinamikus tartománya, mert Az észlelt jel minimális szintjének nagyobbnak kell lennie, mint a zajszint. Ez a képlet csak a kvantálási zajt veszi figyelembe, és nem veszi figyelembe a valódi ADC-kben létező egyéb zajforrásokat. Ezért az értékek SNR valódi ADC-knél általában alacsonyabb az ideálisnál. Tipikus érték SNR egy igazi 12 bites ADC-nél 68-70 dB.

Ha a bemeneti jelnek kisebb a kilengése U FSR , akkor az utolsó képletet módosítani kell

(3.11),

ahol KOS a bemeneti jel csillapítása, dB-ben kifejezve. Tehát, ha egy 12 bites ADC bemeneti jelének amplitúdója tízszer kisebb, mint a teljes skála feszültség fele, akkor KOS = -20 dB és SNR =74 dB – 20 dB = 54 dB.

Jelentése valódi SNR -ra használható fel az ADC bitek effektív számának meghatározása( ENOB – effektív bitszám ). A képlet határozza meg

(3.12).

Ez a mutató egy valódi ADC tényleges döntő képességét jellemezheti tehát egy 12 bites ADC, amelyre SNR =68 dB a KOS = -20 dB jelnél valójában 7 bites ( ENOB =7,68). ENOB érték erősen függ a bemeneti jel frekvenciájától, pl. Az ADC effektív bitkapacitása a frekvencia növekedésével csökken.

Teljes harmonikus torzítás ( THD – Teljes harmonikus torzítás ) az összes magasabb felharmonikus négyzetgyökértéke összegének az alapharmonikus négyzetgyökértékéhez viszonyított aránya

(3.13),

ahol n általában 6-os vagy 9-es szinten korlátozott. Ez a paraméter az ADC kimeneti jelének a bemenethez viszonyított harmonikus torzítási szintjét jellemzi. THD a bemeneti jel frekvenciájával növekszik.

Teljes teljesítményű frekvenciasáv ( FPBW – Teljes teljesítmény sávszélesség ) a bemeneti jel maximális csúcstól csúcsig terjedő frekvenciája, amelynél a rekonstruált alapkomponens amplitúdója legfeljebb 3 dB-lel csökken. A bemeneti jel frekvenciájának növekedésével az ADC analóg áramköreinek már nincs idejük a változásait adott pontossággal feldolgozni, ami az ADC konverziós együtthatójának csökkenéséhez vezet magas frekvenciákon.

Letelepedési idő (Elszámolási idő ) az az idő, amely szükséges ahhoz, hogy az ADC elérje névleges pontosságát, miután a bemeneti jel teljes tartományával megegyező amplitúdójú léptetőjelet alkalmaztak a bemenetére. Ez a paraméter a különböző ADC csomópontok véges sebessége miatt korlátozott.

A különféle típusú hibák miatt a valódi ADC jellemzői nemlineárisak. Ha egy nemlinearitású eszköz bemenetére olyan jelet alkalmazunk, amelynek spektruma két harmonikusból áll f a és f b , akkor egy ilyen eszköz kimeneti jelének spektrumában a főharmonikusokon kívül frekvenciájú intermodulációs szubharmonikusok is lesznek, ahol m, n =1,2,3,... Másodrendű szubharmonikusok f a + f b , f a - f b , a harmadrendű szubharmonikusok 2 f a + f b , 2 f a - f b , f a +2 f b , f a -2 f b . Ha a bemeneti szinuszosok hasonló frekvenciájúak, az áteresztősáv felső széle közelében helyezkednek el, akkor a másodrendű szubharmonikusok távol vannak a bemeneti szinuszoktól és az alsó frekvenciatartományban helyezkednek el, míg a harmadrendű szubharmonikusok frekvenciája közel van az áteresztősávhoz. bemeneti frekvenciák.

Intermodulációs torzítási tényező ( Intermodulatin torzítás ) egy bizonyos nagyságrendű intermodulációs szubharmonikusok négyzetes középértékeinek összegének az alapharmonikusok négyzetes középértékeinek összegének aránya, dB-ben kifejezve.

(3.14).

Bármely analóg-digitális átalakítási módszernek véges időre van szüksége. Alatt ADC konverziós idő ( Konverziós idő ) az analóg jel ADC bemenetre érkezésének pillanatától a megfelelő kimeneti kód megjelenéséig eltelt időintervallumra vonatkozik. Ha az ADC bemeneti jele idővel változik, akkor az ADC véges konverziós ideje az ún. rekesznyílás hiba(3.10. ábra).

A konverziós indítójel pillanatnyilag megérkezik t 0 , és a kimeneti kód pillanatnyilag megjelenik t 1 . Ezalatt a bemeneti jel mennyiségét sikerült megváltoztatniD U . Felmerül a bizonytalanság: a bemeneti jel értékének milyen szintje van a tartományban U 0 – U 0 + D U ennek a kimeneti kódnak felel meg. Ahhoz, hogy a konverziós pontosság a legkisebb jelentőségű bit egysége szintjén megmaradjon, szükséges, hogy a konverziós idő alatt az ADC bemenetén lévő jel értékének változása ne legyen nagyobb, mint a legkisebbek egyike. jelentős bit

(3.15).

A jelszint változása az átalakítás során megközelítőleg a következőképpen számítható ki

(3.16),

ahol Uin - ADC bemeneti feszültség, Tc – konverziós idő. A (3.16)-ot (3.15)-re behelyettesítve kapjuk

(3.17).

Ha a bemenet szinuszos jel frekvenciával f

(3.18),

akkor a származéka egyenlő lesz

(3.19).

Maximális értékét akkor veszi fel, ha a koszinusz egyenlő 1-gyel. Ha ezt figyelembe véve (3.9)-et (3.7)-re behelyettesítjük, azt kapjuk

, vagy

(3.20)

Az ADC véges konverziós ideje a bemeneti jel változási sebességének korlátozásához vezet. A rekesznyílási hiba csökkentése érdekében stb. az ADC bemeneti jel változási sebességének korlátjának gyengítésére az átalakító bemenetén, az ún. "mintavevő-tároló eszköz" (SSD) ( Track/Hold Unit ). Az UVH egyszerűsített diagramja a 3.11. ábrán látható.

Ennek az eszköznek két üzemmódja van: mintavételi mód és reteszelő üzemmód. A mintavételi mód a kulcs zárt állapotának felel meg S.W. . Ebben az üzemmódban az UVH kimeneti feszültsége megismétli a bemeneti feszültségét. A reteszelő módot a nyitógomb parancsa aktiválja S.W. . Ebben az esetben az UVH bemenete és kimenete közötti kapcsolat megszakad, és a kimenőjel a rögzítési parancs vételekori bemeneti jelszintjének megfelelő állandó szinten marad a készüléken felgyülemlett töltés miatt. kondenzátor. Így, ha a tartási parancsot közvetlenül az ADC konverzió megkezdése előtt adjuk ki, akkor az UVH kimeneti jele a teljes konverziós idő alatt állandó szinten marad. Az átalakítás befejezése után az UVH ismét mintavételi módba kapcsol. A valós UVH működése némileg eltér a leírt ideális esettől (3.12. ábra).

(3.21),

ahol f - a bemeneti jel frekvenciája, t A – rekesznyílás-bizonytalanság értéke.

Valódi UVH-k esetén a kimeneti jel nem maradhat abszolút változatlan egy véges konverziós idő alatt. A kondenzátor fokozatosan kisül a kimeneti puffer kis bemeneti áramával. A szükséges pontosság fenntartásához szükséges, hogy az átalakítás során a kondenzátor töltése ne változzon 0,5-nél nagyobb mértékben U LSB.

Digitális-analóg átalakítók általában egy mikroprocesszoros rendszer kimenetére telepítik, hogy a kimeneti kódjait analóg jellé alakítsák át, amelyet egy folyamatos vezérlő objektumnak továbbítanak. A 3 bites DAC ideális statikus karakterisztikáját a 3.13. ábra mutatja.

Jellegzetes kiindulópont az első (nulla) bemeneti kódnak megfelelő pontként definiálva U 00…0 . Végpont jellemző az utolsó bemeneti kódnak megfelelő pontként definiálva U 11…1 . A kimeneti feszültség tartomány, a kvantáló egység legkisebb szignifikáns bitje, a nulla eltolási hiba és a konverziós együttható hiba meghatározása hasonló az ADC megfelelő jellemzőihez.

Szerkezeti felépítés szempontjából a DAC-k sokkal kevesebb lehetőséget kínálnak az átalakító felépítésére. A DAC fő szerkezete az ún. "lánc R -2 R diagram” (3.14. ábra).

Könnyen kimutatható, hogy az áramkör bemeneti árama az I in = U REF / R , és a lánc egymást követő láncszemeinek áramai rendreÉn a /2-ben, én a /4-ben, én benne /8 stb. A bemeneti digitális kód kimeneti árammá alakításához elegendő az átalakító kimeneti pontján összegyűjteni a bemeneti kódban szereplőknek megfelelő karok összes áramát (3.15. ábra).

Ha a konverter kimeneti pontjára műveleti erősítőt csatlakoztatunk, akkor a kimeneti feszültség a következőképpen határozható meg:

(3.22),

ahol K - digitális kód bevitele, N – DAC bitmélység.

Az összes létező DAC két nagy csoportra osztható: az áramkimenettel és a feszültségkimenettel rendelkező DAC-okra. A köztük lévő különbség abban rejlik, hogy a DAC chipben nincs vagy van egy műveleti erősítő utolsó fokozata. A feszültségkimenettel rendelkező DAC-ok teljesebbek, és kevesebb kiegészítő alkatrészt igényelnek a működésükhöz. Az utolsó szakasz azonban az erdészeti áramkör paramétereivel együtt meghatározza a DAC dinamikai és pontossági paramétereit. Gyakran nehéz pontos, nagy sebességű műveleti erősítőt megvalósítani ugyanazon a chipen, mint egy DAC. Ezért a legtöbb nagy sebességű DAC rendelkezik áramkimenettel.

Differenciális nemlinearitás a DAC esetében a kimenő analóg jel két szomszédos szintje közötti távolság eltérése az ideális értéktől. U LSB . A differenciális nemlinearitás nagy értéke a DAC nem monotonná válását okozhatja. Ez azt jelenti, hogy a digitális kód növekedése a kimeneti jel csökkenéséhez vezet a karakterisztika valamely részén (3.16. ábra). Ez nem kívánt generációhoz vezethet a rendszerben.

Integrál nemlinearitás DAC esetén, az analóg kimeneti jelszint legnagyobb eltéréseként definiálva az első és az utolsó kódnak megfelelő pontokon keresztül húzott egyenestől való egyenes vonaltól a beállításuk után.

Letelepedési idő A DAC az az idő, amely alatt a DAC kimenőjele egy adott szinten, legfeljebb 0,5 hibával létrejön. U LSB miután a bemeneti kód 00...0 értékről 11...1 értékre változott. Ha a DAC-nak vannak bemeneti regiszterei, akkor a beállási idő egy része a digitális jelek áthaladásának fix késleltetéséből adódik, és csak a fennmaradó része magának a DAC-áramkörnek a tehetetlensége. Ezért a beállási időt általában nem attól a pillanattól kell mérni, amikor új kód érkezik a DAC bemenetre, hanem attól a pillanattól kezdve, amikor a kimeneti jel elkezd változni, az új kódnak megfelelően, egészen addig, amíg a kimeneti jelet pontosan megállapítják. 0,5U LSB (3.17. ábra).

Ebben az esetben a beállási idő határozza meg a DAC maximális mintavételi frekvenciáját

(3.23),

hol t S – alapítási idő.

A DAC bemeneti digitális áramkörei véges sebességgel rendelkeznek. Ezenkívül a bemeneti kód különböző bitjeinek megfelelő jelek terjedési sebessége nem azonos az elemek és az áramköri jellemzők paramétereinek változása miatt. Ennek következtében a DAC létraáramkör karjai új kód érkezésekor nem szinkronban kapcsolnak, hanem egymáshoz képest némi késéssel. Ez oda vezet, hogy a DAC kimeneti feszültségének diagramján az egyik stacionárius értékről a másikra való átlépéskor különböző amplitúdójú és irányú túlfeszültségek figyelhetők meg (3.18. ábra).

A működési algoritmus szerint a DAC egy nulladrendű extrapolátor, melynek frekvenciaválasza a kifejezéssel reprezentálható.

(3.24),

Ahol w s - mintavételi gyakoriság. A DAC amplitúdó-frekvencia válaszát a 3.20. ábra mutatja.

Mint látható, 0,5-ös frekvenciánw s a rekonstruált jel 3,92 dB-lel csillapodik a jel alacsony frekvenciájú összetevőihez képest. Így a rekonstruált jel spektruma enyhén torzul. A legtöbb esetben ez a kis torzítás nem befolyásolja jelentősen a rendszer teljesítményét. Azonban azokban az esetekben, amikor a rendszer spektrális jellemzőinek megnövekedett linearitása szükséges (például hangfeldolgozó rendszerekben), a kapott spektrum kiegyenlítéséhez a DAC kimeneten egy speciális visszaállító szűrőt kell telepíteni, amelynek frekvencia-válasza a típus x/sin(x).