Najdôležitejšou vecou DAC aj ADC je skutočnosť, že ich vstupy alebo výstupy sú digitálne, čo znamená, že analógový signál je vzorkovaný na úrovni. Typicky je N-bitové slovo reprezentované jedným z 2 N možných stavov, takže N-bitový DAC (s pevnou referenčnou hodnotou napätia) môže mať iba 2 N analógové hodnoty a ADC môže vysielať iba 2 N rôznych binárnych hodnôt. Analógové signály môžu byť reprezentované vo forme napätia alebo prúdu.

Rozlíšenie ADC alebo DAC možno vyjadriť niekoľkými rôznymi spôsobmi: najmenej významný bit (LSB), zlomky jedného milióna celého rozsahu (ppm FS), milivolty (mV) atď. Rôzne zariadenia (dokonca aj od rovnakého výrobcu čipov) sú definované odlišne, takže používatelia ADC a DAC musia byť schopní prevádzať rôzne charakteristiky, aby mohli zariadenia správne porovnávať. Niektoré najmenej významné bitové (LSB) hodnoty sú uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1. Kvantovanie: najmenej významný bit (LSB)

Povolenie schopnosť N	2 s	Napätie v plnom rozsahu 10V	ppm FS	% FS	dB FS
2-bit	4	2,5 V	250000	25	-12
4-bit	16	625 mV	62500	6.25	-24
6-bit	64	156 mV	15625	1.56	-36
8-bit	256	39,1 mV	3906	0.39	-48
10-bit	1024	9,77 mV (10 mV)	977	0.098	-60
12-bit	4096	2,44 mV	244	0.024	-72
14-bit	16384	610 μV	61	0.0061	-84
16-bit	65536	153 μV	15	0.0015	-96
18-bit	262144	38 μV	4	0.0004	-108
20-bit	1048576	9,54 μV (10 μV)	1	0.0001	-120
22-bit	4194304	2,38 μV	0.24	0.000024	-132
24-bit	16777216	596 nV *	0.06	0.000006	-144

* 600 nV je v šírke pásma 10 kHz a vyskytuje sa pri R \u003d 2,2 kΩ pri 25 ° C Ľahko zapamätateľné: 10-bitová kvantizácia pri FS \u003d 10 V zodpovedá LSB \u003d 10 mV, presnosť 1 000 ppm alebo 0,1%. Všetky ostatné hodnoty je možné vypočítať vynásobením koeficientov rovných mocninám 2.

Pred zvážením vnútornej konštrukcie ADC a DAC je potrebné prediskutovať očakávaný výkon a najdôležitejšie parametre digitálno-analógových a analógovo-digitálnych prevodníkov. Poďme sa pozrieť na definíciu neistôt a technické požiadavky na A / D a D / A prevodníky. To je veľmi dôležité pre pochopenie silných a slabých stránok ADC a DAC, postavených na rôznych princípoch.

Prvé prevodníky údajov boli určené na použitie v poli merania a riadenia, kde zvyčajne nebolo dôležité presné načasovanie prevodu vstupného signálu. Rýchlosť prenosu dát v takýchto systémoch bola nízka. V týchto zariadeniach je dôležitý A / D a D / A DC výkon, ale vertikálna synchronizácia a AC výkon sú irelevantné.

Dnes sa veľa, ak nie väčšina, ADC a DAC používa v systémoch vzorkovania a obnovy zvukových, obrazových a rádiových signálov, kde je ich výkon striedavého prúdu kritický pre činnosť celého zariadenia, zatiaľ čo výkon jednosmerného prúdu prevodníkov nemusí byť dôležitý.

Obrázok 1 zobrazuje ideálnu prenosovú funkciu unipolárneho 3-bitového D / A prevodníka. V ňom sú kvantované vstupné aj výstupné signály, takže graf prenosovej funkcie obsahuje osem samostatných bodov. Bez ohľadu na to, ako sa táto funkcia aproximuje, je treba mať na pamäti, že skutočnou charakteristikou prenosu digitálno-analógového prevodníka nie je spojitá linka, ale sada samostatných bodov.

Obrázok 1. Funkcia prenosu ideálneho 3-ciferného digitálno-analógového prevodníka.

Obrázok 2 zobrazuje prenosovú funkciu 3-bitového ideálneho nepodpísaného A / D prevodníka. Upozorňujeme, že analógový signál na vstupe ADC nie je kvantovaný, ale jeho výstup je výsledkom kvantovania tohto signálu. Prenosová charakteristika analógovo-digitálneho prevodníka pozostáva z ôsmich vodorovných čiar, ale pri analýze posunu, zosilnenia a linearity ADC budeme brať do úvahy čiaru spájajúcu stredné body týchto segmentov.

Obrázok 2. Funkcia prenosu ideálneho 3-bitového ADC.

V obidvoch uvažovaných prípadoch digitálna plná stupnica (všetko „1“) zodpovedá analógovej celej stupnici, ktorá sa zhoduje s referenčným napätím alebo napätím na ňom závislým. Preto je digitálny kód normalizovaným pomerom medzi analógovým signálom a referenčným napätím.

Prechod ideálneho analógovo-digitálneho prevodníka na nasledujúci digitálny kód nastáva z napätia rovného polovici najmenej významného bitu na napätie menšie ako napätie v plnom rozsahu o polovicu najmenej významného bitu. Pretože analógový signál na vstupe ADC môže mať akúkoľvek hodnotu a digitálny výstupný signál je diskrétny signál, dôjde k chybe medzi skutočným vstupným analógovým signálom a zodpovedajúcou hodnotou výstupného digitálneho signálu. Táto chyba môže byť až polovica najmenej významného bitu. Tento efekt je známy ako chyba kvantovania alebo neistota transformácie. V zariadeniach používajúcich striedavé signály vedie táto chyba kvantovania k šumu kvantovania.

Príklady zobrazené na obrázkoch 1 a 2 ukazujú prechodnú odozvu nepodpísaných prevodníkov pracujúcich so signálom iba jednej polarity. Toto je najjednoduchší typ snímača, ale bipolárne snímače sú v reálnych zariadeniach užitočnejšie.

V súčasnosti sa používajú dva typy bipolárnych prevodníkov. Jednoduchší je konvenčný unipolárny prevodník, na vstup ktorého je privádzaný analógový signál s konštantnou zložkou. Tento pojem zavádza odchýlku vstupného signálu o množstvo zodpovedajúce jednému najvýznamnejšiemu bitu (MSB). Mnoho prevodníkov môže prepínať toto napätie alebo prúd, aby bolo možné prevodník používať v unipolárnom aj bipolárnom režime.

Iný, zložitejší typ prevodníka je známy ako podpísaný ADC a okrem N informačných bitov je v ňom ďalší bit, ktorý označuje znamienko analógového signálu. Podpísané analógovo-digitálne prevodníky sa používajú pomerne zriedka a používajú sa hlavne v digitálnych voltmetroch.

ADC a DAC rozlišujú medzi štyrmi typmi chýb DC: chybou offsetu, chybou zosilnenia a dvoma typmi chýb linearity. Chyby offsetu a zosilnenia ADC a DAC sú podobné chybám offsetu a zosilnenia v bežných zosilňovačoch. Obrázok 3 zobrazuje prevod bipolárnych vstupných signálov (aj keď chyby offsetu a nuly, ktoré sú identické v zosilňovačoch a unipolárnych ADC a DAC, sú v bipolárnych prevodníkoch odlišné a mali by sa brať do úvahy).

Obrázok 3. Chyba nulového posunu snímača a chyba zosilnenia

Prenosovú charakteristiku DAC aj ADC možno vyjadriť ako D \u003d K + GA, kde D je digitálny kód, A je analógový signál, K a G sú konštanty. V unipolárnom prevodníku je koeficient K nulový, v bipolárnom prevodníku s posunom sa rovná jednej z najvýznamnejších číslic. Chyba posunu meniča je množstvo, o ktoré sa skutočný zisk K líši od ideálnej hodnoty. Neistota zisku je suma, o ktorú sa zisk G líši od ideálnej hodnoty.

Všeobecne možno chybu zosilnenia vyjadriť ako rozdiel medzi týmito dvoma faktormi vyjadrený v percentách. Tento rozdiel možno považovať za príspevok chyby zosilnenia (v hodnotách mV alebo LSB) k celkovej chybe pri maximálnej vstupnej hodnote. Zvyčajne má používateľ príležitosť tieto chyby minimalizovať. Všimnite si, že zosilňovač najskôr upraví predpätie pri nulovom vstupe a potom upraví zosilnenie, keď je vstup blízko maxima. Ladiaci algoritmus pre bipolárne prevodníky je komplikovanejší.

Integrálna nelinearita DAC a ADC je analogická s nelinearitou zosilňovača a je definovaná ako maximálna odchýlka skutočnej prenosovej charakteristiky prevodníka od priamky. Všeobecne sa vyjadruje ako percento celého rozsahu (dá sa však vyjadriť najmenej významnými bitmi). Existujú dve všeobecné metódy na aproximáciu prenosového výkonu: metóda koncového bodu a najlepšia priama metóda (pozri obrázok 4).

Obrázok 4. METÓDA MERANIA CELKOVÉHO CHYBU LINEARITY

Metóda koncového bodu meria odchýlku ľubovoľného bodu charakteristiky (po korekcii zosilnenia) od priamky nakreslenej od počiatku. Spoločnosť Analog Devices, Inc. zmerajte hodnoty integrálnej nelinearity prevodníkov použitých pri problémoch s meraním a reguláciou (pretože veľkosť chyby závisí od odchýlky od ideálnej charakteristiky, a nie od ľubovoľnej „najlepšej aproximácie“).

Najlepšia líniová metóda poskytuje presnejšiu predpoveď skreslenia v aplikáciách striedavého signálu. Je menej citlivý na nelinearity v technických charakteristikách. Metóda najlepšieho prispôsobenia nakreslí priamku cez prenosovú charakteristiku zariadenia pomocou štandardných techník interpolácie kriviek. Potom sa zmeria maximálna odchýlka od zostrojenej priamky. Takto meraná integrálna nelinearita zvyčajne predstavuje iba 50% nelinearity odhadnutej metódou koncového bodu. Vďaka tomu je metóda výhodnejšia na zachytenie pôsobivého výkonu v špecifikácii, ale je menej užitočná na analýzu skutočných chybových hodnôt. Pre aplikácie so striedavým signálom je lepšie určiť harmonické skreslenie ako nelinearita jednosmerného prúdu, preto je zriedka potrebné na určenie nelinearity prevodníka použiť najlepšiu metódu vedenia.

Ďalším typom nelinearity prevodníka je diferenciálna nelinearita (DNL). Je spojená s nelinearitou prechodov kódu prevodníka. V ideálnom prípade zmena o jeden v najmenej významnom bite digitálneho kódu presne zodpovedá zmene analógového signálu o jednu v najmenej významnom bite. V DAC by zmena jedného najmenej významného bitu digitálneho kódu mala spôsobiť zmenu signálu na analógovom výstupe, presne zodpovedajúcu hodnote najmenej významného bitu. Zároveň v ADC sa pri prechode z jednej digitálnej úrovne na druhú musí hodnota signálu na analógovom vstupe meniť presne o hodnotu zodpovedajúcu najmenej významnému bitu digitálnej stupnice.

Ak je zmena analógového signálu zodpovedajúca zmene jednotky najmenej významnej číslice digitálneho kódu väčšia alebo menšia ako táto hodnota, hovoríme o diferenciálnej nelineárnej chybe (DNL). Chyba DNL prevodníka je zvyčajne definovaná ako maximálna hodnota diferenciálnej nelinearity zistená pri akomkoľvek prechode.

Ak je diferenciálna nelinearita DAC pri akomkoľvek prechode menšia ako –1 LSB (pozri obrázok 2.12), hovorí sa o DON, že nie je monotónny a jeho prenosová charakteristika obsahuje jedno alebo viac miestnych maxim alebo minim. Diferenciálna nelinearita väčšia ako +1 LSB nespôsobuje monotónnosť, ale je tiež nežiaduca. V mnohých aplikáciách DAC (najmä v systémoch s uzavretou slučkou, kde nemonotónnosť môže zmeniť negatívnu spätnú väzbu na pozitívnu) je monotónnosť DAC veľmi dôležitá. Monotónnosť prevodníka DAC je často výslovne uvedená v údajovom liste, aj keď je zaručené, že diferenciálna nelinearita bude menšia ako jeden LSB (tj. | DNL |. 1LSB), zariadenie bude vykazovať monotónnosť, aj keď nie je výslovne uvedené.

Môže sa stať, že ADC nie je monotónny, ale najbežnejším prejavom DNL v ADC sú chýbajúce kódy. (pozri obrázok 2.13). Chýbajúce kódy (alebo nemonotónnosť) v ADC sú rovnako nežiaduce ako nemonotónnosť v DAC. K tomu opäť dochádza, keď DNL\u003e 1 LSB.

Obrázok 5. Funkcia prenosu neideálneho 3-bitového DAC


Obrázok 6. Funkcia prenosu neideálneho 3-bitového DAC

Identifikácia chýbajúcich kódov je ťažšia ako identifikácia nemonotónnosti. Všetky ADC majú určitý prechodový šum, ako je to znázornené na obrázku 2.14 (tento šum považujte za poslednú číslicu digitálneho voltmetra blikajúcu medzi susednými hodnotami). Keď sa rozlíšenie zvyšuje, rozsah vstupného signálu zodpovedajúci úrovni prechodového šumu môže dosiahnuť alebo dokonca prekročiť hodnotu signálu zodpovedajúcu jednej z najmenej významných bitov. V takom prípade, najmä ak je kombinovaný so zápornou chybou DNL, \u200b\u200bsa môže stať, že sa objavia niektoré (alebo dokonca všetky) kódy, kde je prechodový šum prítomný v celom rozsahu vstupných signálov. Je teda možné, že existujú niektoré kódy, pre ktoré neexistuje hodnota vstupného signálu, pri ktorej by bolo zaručené, že sa tento kód objaví na výstupe, aj keď môže existovať určitý rozsah vstupného signálu, v ktorom sa tento kód niekedy objaví.

Obrázok 7. Kombinovaný účinok šumu pri prechode kódu a diferenciálnej nelinearity (DNL)

Pre ADC s nízkym rozlíšením možno stav chýbajúceho kódu definovať ako kombináciu prechodového šumu a diferenciálnej nelinearity, ktorá by zaručovala určitú úroveň (povedzme 0,2 LSB) bezhlučného kódu pre všetky kódy. Nie je však možné dosiahnuť vysoké rozlíšenie, ktoré poskytujú moderné sigma-delta ADC, alebo ešte nižšie rozlíšenie pre širokopásmové ADC. V týchto prípadoch musí výrobca určiť hladinu šumu a rozlíšenie iným spôsobom. Nie je také dôležité, ktorá metóda sa použije, ale špecifikácia by mala obsahovať jasnú definíciu použitej metódy a očakávaný výkon.

Literatúra:

1. Analod-Digital Conversion, redaktor Walta Kesteru, Analog Devises, 2004. - 1138 s.
2. Mixed-Signal and DSP Design Techniques ISBN_0750676116, redaktor Walt Kester, Analog Devises, 2004. - 424 s.
3. Aplikácia vysokorýchlostného systému, editor Walta Kestera, Analog Devises, 2006 - 360 s.

Spolu s článkom „Statický prenos charakteristík ADC a DAC“ znie:

Klasifikácia meracích prístrojov

Meracie prístroje a ich charakteristiky

Koncept meracieho prístroja bol uvedený v článku 1.2 ako jeden zo základných pojmov metrológie. Bolo poznamenané, že prostriedok na meranie (SI) je špeciálny technický prostriedok na uchovávanie jednotky veľkosti, ktorý umožňuje porovnať nameranú hodnotu s jej jednotkou a má normalizované metrologické charakteristiky, t. charakteristiky, ktoré ovplyvňujú výsledky a presnosť meraní.

Klasifikujme SI podľa nasledujúcich kritérií:

§ spôsobom realizácie meracej funkcie;

§ zámerne;

§ na metrologické účely.

Podľa spôsobu implementácie meracej funkcie možno všetky meracie prístroje rozdeliť do dvoch skupín:

§ reprodukcia hodnoty danej (známej) veľkosti (napríklad: hmotnosť - hmotnosť; pravítko - dĺžka; normálny prvok - emf atď.);

§ generovanie signálu (indikácie) nesúceho informáciu o hodnote meranej veličiny.

Klasifikácia SI podľa návrhu je znázornená na diagrame na obrázku 4.1.

Zmerajte- merací prístroj vo forme tela alebo zariadenia určeného na reprodukciu fyzikálnej veličiny jedného alebo viacerých rozmerov, ktorých hodnoty sú známe s presnosťou potrebnou na meranie. Meranie je základom meraní. Skutočnosť, že v mnohých prípadoch sa merania uskutočňujú pomocou meracích prístrojov alebo iných prístrojov, nič nezmení, pretože mnohé z nich obsahujú miery, iné sú mierami „odstupňované“; ich váhy je možné zobraziť ako úložné zariadenie. A nakoniec existujú meracie prístroje (napríklad panvové váhy), ktoré sa dajú použiť iba s mierami.

Obrázok: 4.1. Klasifikácia meracích prístrojov podľa konštrukcie.

Meracie zariadenie- merací prístroj určený na generovanie signálu z meraných informácií vo forme prístupnej pre priame vnímanie pozorovateľom. Analógové a digitálne zariadenia sa rozlišujú v závislosti od formy prezentácie informácií. Analógové prístroje sú prístroje, ktorých namerané hodnoty sú spojitou funkciou meranej veličiny, napríklad číselníkové meradlo, sklenený teplomer atď.

Obrázok 4.2 zobrazuje zovšeobecnenú blokovú schému meracieho zariadenia so zariadením ukazujúcim ukazovateľ.

Povinným prvkom meracieho zariadenia je čítacie zariadenie- súčasť konštrukcie meradla určeného na čítanie hodnoty meranej veličiny. Čítacie zariadenie digitálneho meracieho zariadenia je digitálny displej.

Obrázok: 4.2. Bloková schéma meracieho zariadenia.

Čítacie zariadenie analógového meracieho prístroja sa zvyčajne skladá z ukazovateľa a stupnice. Stupnica má počiatočnú a konečnú hodnotu, v rámci ktorej sa nachádza rozsah čítania (obr. 4.3).

Obrázok: 4.3. Čítacie zariadenie analógového indikačného zariadenia.

Nastavenie merania- súbor funkčne kombinovaných meracích prístrojov, v ktorých sa na premenu nameranej hodnoty na signál používa jedno alebo viac meracích prístrojov.

Meracie zariadenie môže obsahovať meracie prístroje, miery, prevodníky, ako aj pomocné zariadenia, regulátory, napájacie zdroje.

Merací systém- súprava meracích prístrojov a pomocných zariadení prepojených komunikačnými kanálmi určená na generovanie signálov meraných informácií vo forme vhodnej na automatické spracovanie, prenos a použitie v monitorovacích a riadiacich systémoch.

Merací prevodník- merací prístroj určený na prevod signálov z meracích informácií z jedného typu na druhý. V závislosti od typov vstupného a výstupného signálu sa meracie prevodníky delia na:

§ primárne prevodníky alebo snímače;

§ sekundárne prevádzače.

Primárny prevodník- merací prevodník, na vstup ktorého sa dodáva nameraná fyzikálna veličina. Primárny prevodník je prvý v meracom obvode.

Pozorovateľ nemôže priamo vnímať výstupný signál primárneho prevodníka. Na jeho transformáciu do formy prístupnej na priame pozorovanie je potrebná ďalšia etapa transformácie. Príkladom primárneho meniča je odporový teplomer, ktorý prevádza teplotu na elektrický odpor vodiča. Ďalším príkladom primárneho prevodníka je otvor pre prietokomery s premenlivým tlakom, ktorý prevádza prietok na diferenčný tlak.

Sekundárne zariadenie- prevodník, na vstup ktorého je privádzaný výstupný signál primárneho alebo normalizačného prevodníka. Výstupný signál sekundárneho zariadenia, podobne ako signál meracieho zariadenia, je k dispozícii na priame vnímanie pozorovateľom. Sekundárne zariadenie uzatvára merací obvod.

Normalizačný prevodník- prechodový prevodník nainštalovaný medzi primárnym prevodníkom a sekundárnym zariadením v prípade nesúladu medzi výstupným signálom primárneho prevodníka a vstupným signálom sekundárneho zariadenia. Príkladom normalizačného prevodníka je normalizačný mostík, ktorý prevádza informačný signál s premenlivým odporom na unifikovaný jednosmerný signál 0-5 mA alebo 0-20 mA.

Použitie takýchto normalizačných prevodníkov umožňuje použitie unifikovaných miliametrov pre všetky merané fyzikálne veličiny ako sekundárne zariadenia, čo zlepšuje ergonomické vlastnosti a dizajn ovládacích panelov.

Prevodník mierok- merací prevodník, ktorý slúži na určitú zmenu hodnôt jednej z veličín pôsobiacich v obvode meracieho zariadenia bez zmeny jeho fyzikálnej podstaty. Jedná sa o prístrojové transformátory napätia, prúdu, prístrojové zosilňovače atď.

Pre metrologické účely sú všetky meracie prístroje rozdelené na etalóny a pracovné meracie prístroje. Podrobná klasifikácia meradiel podľa metrologického účelu bola uvedená v ustanovení 2.2. "Poradie prenosu veľkostí jednotiek fyzikálnych veličín."

Obrázok: 4.4 Statické a dynamické charakteristiky meracích prístrojov.

Ako je uvedené vyššie, merania sú rozdelené na statické a dynamické. Zvážte metrologické vlastnosti meracích prístrojov, ktoré charakterizujú výsledok merania nezmenených a časovo sa meniacich veličín. Obrázok 4.4 zobrazuje klasifikáciu charakteristík, ktoré odrážajú tieto vlastnosti.

Statická charakteristikameracie prístroje nazývajú funkčný vzťah medzi výstupnou veličinou r a vstupné množstvo x v ustálenom stave y \u003d f (x)... Táto závislosť sa nazýva aj rovnica stupnice prístroja, kalibračná charakteristika prístroja alebo prevodníka. Je možné nastaviť statickú charakteristiku:

Analyticky;

Graficky;

Vo forme tabuľky.

Všeobecne je statická charakteristika opísaná závislosťou:

y \u003d y n + s (x - x n), (4.1)

kde y n, x n - počiatočná hodnota výstupných a vstupných veličín; y, x - aktuálna hodnota výstupných a vstupných veličín; S - citlivosť meracieho prístroja.

Chyba meracieho prístroja() Je rozdiel medzi odčítaním SI a skutočnou (skutočnou) hodnotou nameranej fyzikálnej veličiny. Chyba a jej rôzne komponenty sú hlavnou štandardizovanou charakteristikou SI.

Citlivosť meracieho prístroja (S) - vlastnosť, ktorá sa dá vyčísliť ako hranica pomeru prírastku výstupnej veličiny D o k prírastku vstupného množstva D x:

Obrázok 4.5 zobrazuje príklady statických charakteristík meracích prístrojov: a) a b) - lineárne, v) Je nelineárny. Linearita statickej charakteristiky je dôležitou vlastnosťou meracieho prístroja, ktorá zaisťuje jednoduché použitie.

Nelineárnosť statickej charakteristiky, najmä pre technické meracie prístroje, je povolená, iba ak je to spôsobené fyzikálnym princípom transformácie.

Je potrebné poznamenať, že pre väčšinu meracích prístrojov, najmä pre primárne prevodníky, možno statickú charakteristiku považovať za lineárnu iba v rámci požadovanej presnosti meracieho prístroja.

Lineárna statická charakteristika má konštantnú citlivosť nezávisle od nameranej hodnoty. V prípade lineárnej statickej charakteristiky možno citlivosť určiť pomocou vzorca:

kde y k, x k - konečná hodnota výstupného a vstupného množstva; y d \u003d y k - y n - rozsah variácie výstupného signálu; x d \u003d x k - x n - rozsah variácie vstupného signálu.

x

x

x

u n

a) b) v)

Obrázok: 4.5. Statické charakteristiky meracích prístrojov:

a), b) - lineárne; v) - nelineárny

Rozsah merania- rozsah hodnôt meranej veličiny, v rámci ktorého sa normalizujú prípustné limity chýb meracích prístrojov. Merací rozsah meracieho prístroja je vždy menší alebo rovnaký ako snímací rozsah.

Koncept prenosového koeficientu sa rozširuje na jednotlivé prvky meracích systémov, ktoré vykonávajú funkcie smerového prenosu, zmeny mierky alebo štandardizácie meracích signálov.

Pomer prenosu ( do) sa nazýva pomer výstupnej veličiny r na vstupnú hodnotu x, t.j. k \u003d y / x. Prevodový koeficient má spravidla konštantnú hodnotu v ktoromkoľvek bode rozsahu prevodníka a uvedené typy prevodníkov (zmena mierky, normalizácia) majú lineárnu statickú charakteristiku.

Dynamická charakteristikasa nazýva funkčná závislosť odpočtov meracích prístrojov od zmeny nameranej hodnoty v každom okamihu, t.j. y (t) \u003d f.

Odchýlka výstupu y (t) zo vstupnej hodnoty x (t) v dynamickom režime je znázornený na obrázku 4.6 v závislosti od zákona variácie vstupnej veličiny v čase.

Dynamická chybameracie prístroje sú definované ako

Dу (t) \u003d y (t) - až x (t),(4.4)

kde kx (t) - výstupná hodnota dynamicky "ideálneho" prevodníka.

Dynamický režim širokej triedy meracích prístrojov je opísaný lineárnymi nehomogénnymi diferenciálnymi rovnicami s konštantnými koeficientmi. Dynamické vlastnosti meracích prístrojov v tepelnej energetike sú najčastejšie modelované dynamickým odkazom prvého rádu (neperiodický odkaz):

kde T - časová konštanta konverziektorý zobrazuje čas výstupu signálu y (t) na ustálenú hodnotu po skokovej zmene vstupnej hodnoty x (t).

Obrázok: 4.6. Odchýlka výstupnej hodnoty od vstupnej hodnoty v dynamickom režime

Prechodné charakteristiky sa používajú na opis dynamických vlastností meracích prístrojov. Prechodná reakcia je reakcia dynamického systému na jednokrokovú akciu. V praxi sa používajú krokové efekty ľubovoľnej hodnoty:

Prechodná reakcia h (t) súvisí s reakciou lineárneho dynamického systému y (t) na skutočnom nejednotnom skokovom efekte pomerom:

h (t) \u003d y (t) / X a(4.7)

Prechodná odozva popisuje zotrvačnosť merania, ktorá spôsobuje oneskorenie a skreslenie výstupného signálu. Prechodná reakcia môže mať neperiodické a oscilačné formy.

Dynamické charakteristiky lineárneho meracieho prístroja nezávisia od hodnoty a znaku krokového rušenia a prechodné charakteristiky experimentálne merané pri rôznych hodnotách krokového rušenia sa musia zhodovať. Ak experimenty s krokovými poruchami, ktoré majú rozdielnu hodnotu a znamienko, vedú k nerovnakým kvantitatívnym a kvalitatívnym výsledkom, naznačuje to nelinearitu skúmaného meracieho prístroja.

Hovorí sa o dynamických charakteristikách meracích prístrojov charakterizujúcich reakciu meracieho prístroja na harmonické vplyvy v širokom frekvenčnom rozsahu frekvenčné charakteristikyktoré zahŕňajú amplitúdovo-frekvenčné a fázovo-frekvenčné charakteristiky.

Pri experimentálnom určovaní frekvenčných charakteristík sa harmonické, napríklad sínusové oscilácie, privádzajú na vstup meracieho prístroja pomocou generátora:

x (t) \u003d A x sin (w t + f x)(4.8)

Ak je skúmaným meracím prístrojom lineárny dynamický systém, potom kolísanie výstupnej hodnoty v ustálenom stave bude tiež sínusové (pozri obrázok 4.6, c):

y (t) \u003d A y sin (wt + f y), (4.9)

kde f x - počiatočná fáza, rád: w - uhlová rýchlosť, rad / s.

Amplitúda výstupných kmitov a fázový posun závisia od vlastností meracieho prístroja a frekvencie vstupných kmitov.

Závislosť A (w), ktorý ukazuje, ako sa pomer amplitúdy výstupných kmitov mení s frekvenciou Á (w) lineárny dynamický systém k amplitúde vstupných kmitov A x (w) , sa nazýva amplitúdovo-frekvenčná charakteristika (AFC) tohto systému:

A (w) \u003d A y (w) / A x (w) (4.10)

Závislosť od frekvencie fázového posuvu medzi vstupnými a výstupnými osciláciami sa nazýva fázovo-frekvenčná charakteristika (PFC) systému:

f (w) \u003d f y (w) - f x (w)(4.11)

Frekvenčné charakteristiky sa určujú experimentálne a teoreticky podľa diferenciálnej rovnice popisujúcej vzťah medzi výstupným a vstupným signálom (4.5). Postup získania frekvenčných charakteristík z diferenciálnej rovnice lineárneho systému je podrobne popísaný v literatúre o teórii automatického riadenia.

Obrázok 4.7 zobrazuje typické frekvenčné charakteristiky meracieho prístroja, ktorého dynamické vlastnosti zodpovedajú lineárnej diferenciálnej rovnici prvého rádu (4.5). So zvýšením frekvencie vstupného signálu taký prostriedok merania zvyčajne znižuje amplitúdu výstupného signálu, ale zvyšuje ofset výstupného signálu vzhľadom na vstup, čo vedie k zvýšeniu dynamickej chyby.

Obrázok: 4.7. Amplitúdovo-frekvenčná charakteristika (a) a fázová frekvenčná charakteristika (b) meracieho prístroja, ktorých dynamické vlastnosti zodpovedajú lineárnemu spojeniu prvého rádu (aperiodické spojenie).

Ukážme si na príklade, ako sa odhadujú dynamické charakteristiky meracích prístrojov, ktorých dynamické vlastnosti je možné modelovať lineárnym prepojením 1. rádu.

Príklad.Výpočet časovej konštanty T tepelný prijímač.

Obrázok: 4.8. Schematický diagram a dynamické charakteristiky tepelného detektora

Tepelná zotrvačnosť tepelného detektora je spôsobená pomalším zahrievaním v porovnaní s rýchlou (náhlou) zmenou teploty média, čo vedie k oneskoreniu odpočtov údajov zariadenia, ktoré meria teplotu.

Stanoví sa dynamická chyba tepelného detektora

kde s, r, s - tepelná kapacita, hustota, objem a povrchová plocha chladiča; a je koeficient prestupu tepla; t por a t pr- teplota média a tepelného prijímača.

Časová konštanta tepelného detektora je určená podmienkou t pr (T)=0,63(t cf -t n)a je rovnocenný

kde d - hrúbka steny krytu tepelného detektora.

Nech je uvedené: r \u003d 7 × 103 kg / m 3; od \u003d 0,400 kJ / kg × stupeň; a \u003d 200 W / m2 × deg; d\u003d 2,0 mm.

Vypočítaná hodnota časovej konštanty:

Ak je teplota prostredia t por\u003d 520 ° C sa meria elektronickým potenciometrom s chybou D \u003d ± 5 ° C, potom sa stanoví čas ustálenia nameraných hodnôt T y na prístroji

Pri postupnom zvyšovaní hodnôt vstupného digitálneho signálu D (t) z 0 na 2N-1 cez jednotku najmenej významného bitu (EMP) vytvára výstupný signál U out (t) stupňovitú krivku. Táto závislosť sa zvyčajne nazýva konverzná charakteristika DAC. Pri absencii hardvérových chýb sú stredné body krokov umiestnené na ideálnej priamke 1 (obr. 22), ktorá zodpovedá ideálnej transformačnej charakteristike. Skutočná transformačná charakteristika sa môže od ideálneho podstatne líšiť veľkosťou a tvarom krokov, ako aj umiestnením v súradnicovej rovine. Existuje množstvo parametrov na kvantifikáciu týchto rozdielov.

Statické parametre

Rozhodnutie - prírastok Uout pri prevode susedných hodnôt Dj, t.j. líšiace sa od EMP. Tento prírastok je krokom kvantovania. Pre binárne prevodné kódy je nominálna hodnota kroku kvantovania h \u003d U psh / (2N-1), kde U psh je nominálne maximálne výstupné napätie DAC (napätie v plnom rozsahu), N je bitová šírka DAC. Čím väčšia je kapacita číslic prevodníka, tým vyššie je jeho rozlíšenie.

Presnosť v plnom rozsahu - relatívny rozdiel medzi skutočnými a ideálnymi hodnotami limitu stupnice prepočtu pri absencii nulového posunu.

Je to multiplikatívna zložka celkovej chyby. Niekedy je to indikované zodpovedajúcim číslom EMP.

Chyba posunutia nuly - Hodnota Uout, keď je vstupný kód DAC nulový. Je to doplnková zložka celkovej chyby. Zvyčajne sa uvádza v milivoltoch alebo ako percento celej stupnice:

Nelineárnosť - maximálna odchýlka skutočných konverzných charakteristík U out (D) od optimálnej (riadok 2 na obr. 22). Optimálna charakteristika sa nachádza empiricky, aby sa minimalizovala hodnota chyby nelinearity. Nelineárnosť je zvyčajne definovaná v relatívnych jednotkách, ale v referenčných údajoch je uvedená aj v EMP. Pre charakteristiku znázornenú na obr. 22.

Diferenciálna nelinearita je maximálna zmena (s prihliadnutím na znamienko) odchýlky skutočnej konverznej charakteristiky Uout (D) od optimálnej pri prechode z jednej hodnoty vstupného kódu na inú susednú hodnotu. Spravidla je definované v relatívnych jednotkách alebo v EMP. Pre charakteristiku znázornenú na obr. 22,

Monotónnosť konverzných charakteristík - zvýšenie (zníženie) výstupného napätia DAC Uout so zvýšením (poklesom) vstupného kódu D. Ak je diferenciálna nelinearita väčšia ako relatívny krok kvantovania h / Upsh, potom je charakteristika prevodníka nemonotónna.

Teplotnú nestabilitu DAC charakterizujú teplotné koeficienty chyby celej stupnice a chyby nulového posunu.

Chyby celého rozsahu a posunutia nuly je možné opraviť kalibráciou (trimom). Chyby nelinearity nie je možné vylúčiť jednoduchými prostriedkami.

Dynamické parametre

Dynamické parametre DAC sú určené zmenou výstupného signálu pri náhlej zmene vstupného kódu, zvyčajne z hodnoty „všetky nuly“ na „všetky“ (obr. 23).

Čas vyrovnania - časový interval od okamihu zmeny vstupného kódu (na obr. 23 t \u003d 0) do okamihu, keď je rovnosť naposledy splnená

|U von - U psh | \u003d d/2,

Rýchlosť prebehu - maximálna rýchlosť zmeny Uout (t) počas prechodného procesu. Je definovaná ako pomer prírastku D Uout k času t, počas ktorého k tomuto prírastku došlo. Typicky uvedené v údajovom liste pre DAC s výstupom napätia. Pre DAC s prúdovým výstupom je tento parameter veľmi závislý od typu výstupného operačného zosilňovača.

Pre násobenie DAC s napäťovým výstupom sú často špecifikované frekvencie zisku jednotky a šírka pásma výkonu, ktoré sú určené hlavne vlastnosťami výstupného zosilňovača.

Šum DAC

Šum na výstupe DAC sa môže vyskytnúť z rôznych dôvodov spôsobených fyzikálnymi procesmi prebiehajúcimi v polovodičových zariadeniach. Na posúdenie kvality DAC s vysokým rozlíšením sa zvyčajne používa koncept rms šumu. Spravidla sa merajú v nV / (Hz) 1/2 v danom frekvenčnom pásme.

Prepätie (impulzný šum) - náhle krátke výpadky alebo poklesy výstupného napätia, ku ktorým dôjde pri zmene hodnôt výstupného kódu v dôsledku asynchrónneho otvorenia a zatvorenia analógových kľúčov v rôznych bitoch DAC. Napríklad, ak sa pri prechode z hodnoty kódu 011 ... 111 na hodnotu 100 ... 000 otvorí kľúč najvýznamnejšej číslice prevodníka DAC so súčtom hmotnostných prúdov neskôr, ako sa zatvoria kľúče s najmenej významnými číslicami, bude na výstupe DAC nejaký čas existovať signál, zodpovedajúce kódu 000 ... 000.

Hroty sú bežné u vysokorýchlostných DAC, kde je minimalizovaná kapacita na vyrovnanie. Radikálnym spôsobom na potlačenie odľahlých hodnôt je použitie zariadení na vzorkovanie a zadržanie. Emisie sa odhadujú podľa ich oblasti (v pV * s).

Tabuľka 2 zobrazuje najdôležitejšie vlastnosti niektorých typov digitálno-analógových prevodníkov.

tabuľka 2

Pomenovanie DAC	Bitová kapacita, bitová	Počet kanálov	Typ výstupu	Čas vyrovnania, μs	Rozhranie	Interné ION	Napätie napájanie, V	Spotreba energie mW	Poznámka
DAC na všeobecné účely
572PA1	10	1	Ja	5	-	Nie	5; 15	30	Na klávesoch MOS sa znásobuje
	10	1	U	25	Posledný	tam je	5 alebo +/- 5	2
594PA1	12	1	Ja	3,5	-	Nie	+5, -15	600	Na prúdových spínačoch
MAX527	12	4	U	3	Paral.	Nie	+/-5	110	Načítavanie vstupných slov na 8-pólovú zbernicu
DAC8512	12	1	U	16	Posledný	tam je	5	5
	14	8	U	20	Paral.	Nie	5; +/-15	420	Na prepínačoch MOS s inverznou odporovou maticou
	8	16	U	2	Paral.	Nie	5 alebo +/- 5	120	Na prepínačoch MOS s inverznou odporovou maticou
	8	4	-	2	Posledný	Nie	5	0,028	Digitálny potenciometer
Mikropower DAC
	10	1	U	25	Posledný	Nie	5	0,7	Násobenie, v 8-zvodovom balení
	12	1	U	25	Paral.	tam je	5 alebo +/- 5	0,75	Násobenie, spotreba - 0,2 mW v ekonomickom režime
MAX550V	8	1	U	4	Posledný	Nie	2,5:5	0,2	Spotreba 5 μW v ekologickom režime
	12	1	U	60	Posledný	Nie	2,7:5	0,5	Násobiace sa rozhranie kompatibilné s SPI
	12	1	Ja	0,6	Posledný	Nie	5	0,025	Násobenie
	12	1	U	10	Posledný	Nie	5 alebo 3	0,75 (5 hodín) 0,36 (3 h)	6-pólové balenie, spotreba 0,15 μW v úspornom režime. I 2 C kompatibilné rozhranie
Presný DAC

je maximálna odchýlka od referenčnej čiary pri prechode na susedný digitálny kód na vstupe DAC (pozri obr. 2.39, d). Sklon referenčnej čiary sa určuje na základe skutočného zisku DAC. Pre charakteristiku znázornenú na obr. 2,38,

δ dni \u003d e U j - e j + 1 100%

6. Monotónnosť konverzných charakteristík - zvýšenie (zníženie) výkonu

napätie DAC Uout so zvyšujúcim sa (klesajúcim) vstupným kódom D. Ak je diferenciálna nelinearita v absolútnych jednotkách väčšia ako kvantizačný krok h, potom je charakteristika prevodníka nemonotónna.

Diferenciálna nelinearita zvyčajne dosiahne svoju maximálnu hodnotu pri prechode na susedný kód, sprevádzaná prepínaním mnohých bitov (napríklad pri prechode z kódu 01111 na kód 10 000). Zároveň môže dokonca prekročiť krok analógového kvantovania, ktorý s príslušnou polaritou (-) povedie k nemonotónnej prenosovej charakteristike DAC. (Keď sa číslo na vstupe zvyšuje, analógová hodnota na výstupe klesá).

Nasledujúce výstupné napätia sa merajú na výstupe 6-bitového DAC s nominálnym plným rozsahom napätia 10 V (pozri tabuľku 2.1).

Tabuľka 2.1.

	U Meas	U rýchlosť	U teor

Definujme hlavné parametre skúmaného DAC: a) predpätie - +0,2 V; b) Neexistuje chyba v plnom rozsahu;

c) Charakteristika DAC nie je monotónna, v troch najmenej významných bitoch sú chyby v súčte

výstupné napätie 0,19 V. Pri prechode z kódu 0111 (Uscore \u003d 1,28) na susedných 1000 (Uscore \u003d 1,2) sa výstupné napätie nezvyšuje, ale znižuje.

Avšak od algebraický súčet bitových chýb sa rovná 0, jedinou formou nelinearity je diferenciálna nelinearita.

7. Teplotná nestabilita Prevodník DAC má teplotné koeficienty chyby úplného rozsahu a chyby nulového posunu.

Chyby celého rozsahu a posunutia nuly je možné opraviť kalibráciou (trimom). Chyby nelinearity nie je možné vylúčiť jednoduchými prostriedkami.

2.5.2. Dynamické parametre DAC

Dynamické parametre DAC sa merajú zmenou hodnoty analógového výstupu s náhlou zmenou hodnoty digitálneho kódu na vstupe. Čas prechodného procesu sa v tomto prípade zvyšuje s nárastom rozdielu medzi postupne prevedenými hodnotami Ni. Preto sa dynamické parametre DAC zvyčajne určujú pri maximálnej hodnote rozdielu prevedených kódov (zmena kódov z 000 ... 000 na 111 ... 111 a naopak) a pri určitú hodnotu zaťaženia DAC.

1. Čas oneskorenia(td) - časový interval, počas ktorého sa výstupná hodnota x (t) mení o 0,1 rozdielu (0,1 (xj -xi)) medzi nasledujúcou a predchádzajúcou hodnotou (pozri obr. 2.40).

2. Čas nábehu(t nr) - časový interval, počas ktorého je výstupná analógová hodnota čísla

sa líši od x i +0,1 (x j - x i) do x i +0,9 (x j - x i).

								3. Čas konečného usadenia sa (v ústach) -
								časový interval, za ktorý je analógový výstup
								hodnota x (t) prechádza od zvyšovania k nastaveniu
								v stanovených medziach d (zvyčajne ± 1/2 analógu
								ekvivalent MP).
xi +0,9 (xj -xi)
								4. Spínací čas - súčet časov oneskorenia
								ki a rast.
								5. Miera spomalenia - miera zmeny
								analógová hodnota v stúpajúcej časti. Spravidla
								uvedené v technických charakteristikách prevodníka DAC s
								prevádzkový signál vo forme napätia. DAC s prúdom
					t pr			výstup, tento parameter do značnej miery závisí od
xi +0,1 (xj -xi)								typ výstupného operačného zosilňovača
								Na znásobenie DAC výstupom vo forme
				t ht nr	t ústa			napätie je často indikované frekvenciou jednotky
								výkon a šírka pásma, ktoré v
	Zadajte kód Ni Æ Nj, ∆N \u003d Nj -Ni							určené hlavne vlastnosťami výstupného zosilňovača
Obrázok: 2.40. Dynamické parametre DAC
meškanie, vznik a usadenie sa.								6. Čas premeny (t pr) - súčet časov

2.5.3. Hluk, rušenie, záveje

1. Šum na výstupe DAC sa môže vyskytnúť z rôznych dôvodov spôsobených fyzikálnymi procesmi prebiehajúcimi v polovodičových zariadeniach. Na posúdenie kvality DAC s vysokým rozlíšením sa zvyčajne používa koncept rms šumu. Spravidla sa merajú v nV / (Hz) 1/2 v danom frekvenčnom pásme.

2. Emisie (impulzný hluk, poruchy)- prudké výpadky alebo poklesy výstupného signálu, ku ktorým dôjde pri zmene hodnoty číselného kódu na vstupe DAC, v dôsledku asynchrónneho otvárania a zatvárania analógových kľúčov v rôznych čísliciach DAC. Napríklad, ak sa pri prepnutí z kódu 011 ... 111 na kód 100 ... 000 otvorí kľúč najvýznamnejšieho bitu DAC neskôr, ako sa zatvoria kľúče najmenej významných bitov, potom na výstupe DAC bude nejaký čas existovať signál zodpovedajúci kódu 000 ... 000. Ak sa tento prepínač otvorí skôr, potom bude na výstupe DAC nejaký čas existovať signál zodpovedajúci kódu 111 ... 111.

Hroty sú bežné u vysokorýchlostných DAC, kde je minimalizovaná kapacita na vyrovnanie. Radikálnym spôsobom na potlačenie emisií je použitie aportovanie... Emisie sa odhadujú podľa ich oblasti (v pV * s).

3. Analógovo-digitálne prevodníky (ADC)

Volá sa zariadenie, ktoré vykonáva automatický prevod (meranie a kódovanie) kontinuálne sa meniacich analógových hodnôt v čase na ekvivalentné hodnoty číselných kódov analógovo-digitálny prevodník(ADC). Transformácia zaisťuje, že diskrétne vzorky (ti) zodpovedajú kódovej hodnote N ti. Kvantitatívny vzťah pre akýkoľvek časový okamih t i je určený vzťahom

Nti \u003d x (ti) / ∆ x ± δ Nti

kde δN ti je chyba transformácie v tomto kroku (chyba kvantovania alebo kvantový šum

∆x je krok kvantovania (alebo analógový ekvivalent EMP).

ADC sú zariadenia, ktoré prijímajú spojité vstupné signály z analógových zariadení a na výstupe zodpovedajú digitálne signály, ktoré sú vhodné na prácu s počítačmi a inými digitálnymi zariadeniami.

ADC, ako aj DAC, sú široko používané v rôznych oblastiach, sú neoddeliteľnou súčasťou digitálnych meracích prístrojov, systémov a zariadení na spracovanie a zobrazovanie informácií, automatických monitorovacích a riadiacich systémov, vstupno-výstupných zariadení pre počítačové informácie atď.

Hlavné parametre ADC (variačný rozsah, parametre časovania, statické chyby) majú rovnaký význam ako príslušné parametre DAC diskutované v druhej časti prednášok. Preto budeme brať do úvahy iba niektoré z charakteristických vlastností parametrov ADC.

3.1. Parametre ADC
3.1.1. Statické parametre ADC
Fyzicky proces analógovo-digitálnej konverzie spočíva v kvantovaní a kódovaní.
Výsledkom procesu kvantovania analógovej hodnoty je chyby kvantovania (šum
kvantifikácia mA), ktorej maximálna hodnota je ± 1/2 jednotky najmenej významnej číslice (± 1/2 EMP) pred
pedagóg.
Na obr. 3.1, a, je uvedená charakteristika prepočtu
a na obr. 3.1, b - graf chyby kvantovania trikrát
in-line ADC pre normalizovaný vstupný signál.
Ako aj systematická chybakvantovanie je
je tu miesto a viac alebo menej významná chyba,
zachytené obvodom (prístrojová chyba). V
inštrumentálna chyba ADC (rovnaké ako DAC)
z dôvodu nedokonalosti jednotlivých prvkov obvodu
nás a vplyv rôznych destabilizujúcich faktorov na ne								U v
tori. Inštrumentálna chyba vedie k tomu, že
								U v max
kvantifikačné charakteristiky skutočných ADC sa líšia od
ideálne, zobrazené na obr. 3.1, a. Ak je stred
prienik ideálnej prerušovanej čiary kvantovej charakteristiky
spojiť, potom dostanete priamku s jednotkovým sklonom,								U v
vychádzajú z pôvodu (na obrázku 3.1, a, - pruh
riadok). V skutočných ADC táto linka neprechádza								U v max
výsledok nula (chyba posunutia nuly ∆Ushift, pozri obr. 3.2,
	Obrázok: 3.1. Špecifikácia kvantifikácie ADC
a) a jeho sklon sa líši od jednotkového (chyba	(a) a graf chyby kvantovania (b)
účinnosť prenosupozri obr. 3.2, b). Chyba koeficientu
prevodový pomer je charakterizovaný referenčným parametrom, ktorý sa nazýva absolútny
chyba transformácie v koncovom bode stupnice (∆Umax na obr. 3.2, b).
Chyba zosilnenia v rozsahu premeny signálu spôsobuje konštantu
relatívna odchýlka výstupnej hodnoty od skutočnej hodnoty a chyba nulového posunu je spôsobená
dáva stálu absolútnu chybu. Obe tieto chyby možno zvyčajne vyriešiť

stabilizácia nuly a úplná výchylka. Chyby zostávajú v dôsledku driftu parametrov a ich nelinearity.

V skutočných ADC existuje odchýlka priemerovanej kvantizačnej charakteristiky od ideálu

priamo v celom rozsahu vstupného signálu ( chyba nelinearity ∆Upozri obr. 3.2, c). Ďalším meradlom chyby linearity transformácie je diferenciálna nelinearita... Udáva, o koľko sa šírka jednotlivého kroku líši od zadanej hodnoty kvantizačného kroku (určená rovnakým spôsobom ako zodpovedajúci parameter DAC). Ak diferenciálna nelinearita v absolútnej hodnote prekročí krok kvantovania, potom budú niektoré kódy počas merania preskočené (pozri obr. 3.2, d).

∆ U max

Offset U offset

U v

U v

∆ U n.

1 2 3 4 5

U v

1 2 3 4 5

U v

U v max

U v max

Obrázok: 3.2. Chyby prevodu ADC:

a - chyba nulového posunu; b - chyba prevodového koeficientu; c - nelinearita; d - preskočiť kódy

Z hľadiska statickej presnosti práce je teda vyčerpávajúcou charakteristikou ADC jeho skutočná kvantizačná charakteristika.

Uvažované statické chyby charakterizujú činnosť prevodníkov s konštantnými alebo kvázi konštantnými (konštantnými v konverznom intervale) signálmi.

3.1.2. Dynamické parametre ADC

1) Čas premeny tpr je čas počítaný od začiatku vzorkovacieho impulzu alebo od začiatku konverzie do objavenia stabilného kódu zodpovedajúceho danej vzorke na výstupe. Pre niektoré typy ADC je táto hodnota premennou v závislosti od hodnoty vstupného signálu, pre ostatné je približne konštantná. Pri prevádzke bez vzorkovacieho zariadenia je pamäť clonový čas... Určuje dosiahnuteľný vzorkovací (konverzný) pomer.

Existujú dve oblasti použitia prevodníkov AD:

digitálne meracie prístroje (voltmetre);

spracovanie signálu.

V prvom prípade sa predpokladá, že vstupné napätie je počas doby premeny konštantné. Naopak, počas spracovania signálu sa vstupné napätie mení nepretržite. S digitálnym

spracovanie, v pravidelných intervaloch, sa vzorky meniaceho sa napätia odoberajú z
silou prvkov načítania a ukladania. Tieto údaje sú digitalizované
prevodník. Ako je uvedené v kapitole 1, iba zodpovedajúca číselná postupnosť
potom pomerne presne predstavuje spojitý vstupný signál, keď je veta
počíta. Vzorkovacia frekvencia f d musí byť najmenej dvojnásobkom najvyššej frekvencie signálu
la f max. Čas prevodu AD prevodníka t pr musí preto spĺňať podmienku:
				t pr
							f max
Pri spracovaní signálov teda vzorkovacia frekvencia (a teda maximálna)
frekvencia spektra signálu) určuje požadovanú rýchlosť ADC.
Zvážme podrobnejšie miesto ADC pri vykonávaní operácie vzorkovania.
Pre dostatočne úzkopásmové signály možno operáciu vzorkovania vykonať pomocou
samotnými ADC a tak sa kombinujú s operáciou kvantovania. Hlavná pravidelnosť je
diskretizácia spočíva v tom, že existuje konečný čas jednej transformácie a neistota
v okamihu jeho ukončenia nie je možné získať jednoznačnú zhodu medzi hodnotami vzoriek a
body, ktorým by sa mali pripočítať.
Najmä ak sa signál zmení na							Uin (t)
aDC vstup postupného približného
výstupný digitálny signál môže							U v ma x
vziať hodnotu zodpovedajúcu ktorejkoľvek
bum vstupný signál v rozsahu
zóna jeho zmeny v časovom intervale
t pr. Výsledkom je, že pri práci s premennou
Časom signály vznikajú špeciálne
digitálne chyby, dynamický softvér							∆ua
povahy, na posúdenie ktorých zavádzajú
	clona		neistota,
vyznačujúci sa tým				clona
čas ta (pozri obr. 3.3).
2) Zavolá sa čas clony
čas medzi okamihom fixácie je okamžitý
hodnota vstupného signálu (krútiaci moment
počet) a okamih prijatia digitálneho záznamu
rovnaký ekvivalent.						Obrázok: 3.3. Vznik chyby clony
3) Neistota v dôsledku
nesúlad vstupného signálu s prevádzanou digitálnou hodnotou sa nazýva clona
chyba ADC ∆Ua (pozri obr. 3.3). Nesúlad sa vyskytuje, ak je vstupný signál
prevod sa zmení o viac ako analógový ekvivalent najmenej významnej číslice
EMP. Takže s časovo premenlivým vstupným signálom sa vytvára neistota v
aká okamžitá hodnota signálu v skutočnosti bola v okamihu vzorkovania.
efekt neistota clonysa prejaví buď ako chyba okamžitej hodnoty
signál v určených okamihoch merania alebo ako chyba času, v ktorom
meranie sa vykonáva pri danej okamžitej hodnote signálu. S jednotným odberom vzoriek
dôsledkom neistoty clony je výskyt chýb amplitúdy, ktoré
žito sa nazýva clona a číselne sa rovná prírastku signálu počas času clony.
Ak použijeme inú interpretáciu účinku neistoty clony, potom jej prítomnosť
vedie k "chveniu" skutočných časových bodov, v ktorých sa odoberajú vzorky signálu, s ohľadom na
k okamihom rovnomerne rozloženým na časovej osi. Výsledkom je, že namiesto jednotného vzorkovania s
striktne konštantná doba vzorkovania sa vykonáva s kolísavou periodou opakovania,
čo vedie k porušeniu podmienok vety o vzorkovaní (jednotná diskretizácia) a vzhľadu
chyby v systémoch spracovania digitálnych informácií (malé náhodné zmeny rýchlosti
digitálnych údajov). V systémoch digitálneho prenosu zvuku je to také trhanie clony (alebo digitálne
noise jitter) vedie k skresleniu zvuku podobnému klepnutiu v analógovom formáte

Existujú rôzne spôsoby kompenzácie statických chýb DAC. Hlavným znakom klasifikácie metód je zohľadnená trieda chýb. Na tomto základe sa rozlišujú tieto metódy:

1. oprava stupnice a nulového bodu charakteristiky;

2. Oprava odchýlky komutovaných opatrení;

3. Oprava všeobecnej nelinearity (integrálnej aj diferenciálnej).

Najskôr sa vykoná oprava chýb pri výrobe prevodníkov (technologická úprava). Často je však žiaduce pri použití konkrétnej vzorky LSI v konkrétnom zariadení. V druhom prípade sa korekcia vykonáva zavedením ďalších prvkov do štruktúry zariadenia, okrem LSI-DAC, t. J. Na štrukturálnej úrovni. Vo výsledku sa takéto metódy nazývajú štrukturálne.

DAC obsahuje rôzne funkčné jednotky. Pri zarovnávaní je každý z uzlov prispôsobený nezávisle na ostatných. Algoritmus prispôsobenia musí v prvom rade zabezpečiť monotónnosť konverznej funkcie, potom jej linearitu, nulový posun a požadovaný konverzný faktor.

Najťažším procesom je zabezpečiť monotónnosť a linearitu, pretože sú určené súvisiacimi parametrami mnohých prvkov a uzlov. Najčastejšie sa upravuje iba nulový offset, konverzný faktor a symetrická diferenciálna nelinearita, t.j. nelinearita spôsobená chybami rozdeľovača a časťou kľúčových chýb, ktorú je možné redukovať na chyby tohto druhu. Zvyšok chýb má superpozičný charakter, t.j. sa prejavujú vo vzájomnom ovplyvňovaní prvkov navzájom. Je veľmi ťažké takéto chyby identifikovať, kontrolovať a opraviť.

Parametre presnosti poskytované technologickými metódami sa zhoršujú, keď je prevodník vystavený rôznym destabilizačným faktorom, predovšetkým teplote. Je potrebné pamätať na faktor starnutia prvkov.

S rastúcou presnosťou náklady na vývoj prevodníkov a ich výrobu neustále rastú. Berúc do úvahy všetko toto zdokonalenie metrologických ukazovateľov je racionálne dosiahnuť komplexne pomocou technologických metód s rôznymi štrukturálnymi metódami. A pri použití hotových integrálnych prevodníkov sú štrukturálne metódy jediným spôsobom, ako ďalej vylepšiť metrologické vlastnosti prevodného systému.

Chyby nulového posunu a mierky sa dajú ľahko opraviť na výstupe DAC. Za týmto účelom sa do výstupného signálu zavedie konštantný posun, aby sa vyrovnal posun charakteristiky prevodníka. Nastavuje sa požadovaná stupnica prepočtu, a to buď korekciou zosilnenia nastaveného na výstupe zosilňovača, alebo úpravou hodnoty referenčného napätia, ak je DAC multiplikačný.

Medzi štrukturálnymi metódami linearizácie charakteristiky je potrebné rozlišovať kompenzačné metódy a metódy s riadením skúšobným signálom.

Metódy korekcie s riadením testu spočívajú v identifikácii chýb DAC v celej skupine prípustných vstupných vplyvov a pridaní korekcií vypočítaných na základe tohto k vstupnej alebo výstupnej hodnote na kompenzáciu týchto chýb.

Pri akejkoľvek metóde korekcie s riadením testovacím signálom sa poskytujú tieto činnosti:

1. Meranie charakteristík DAC na súbore testovacích vplyvov dostatočných na identifikáciu chýb.

2. Identifikácia chýb výpočtom ich odchýlok od výsledkov merania.

3. Výpočet opravných opráv pre prevedené hodnoty alebo požadovaných nápravných opatrení na opravených blokoch.

4. Oprava.

Prvé tri body sa týkajú kontrolného procesu, posledný bod transformačného procesu od korekcia sa vykonáva počas prepočtu.

Kontrolu je možné vykonať raz pred inštaláciou prevodníka do prístroja pomocou špeciálneho laboratórneho meracieho zariadenia. Môže sa tiež vykonať pomocou špecializovaného zariadenia zabudovaného do prístroja. V takom prípade sa riadenie spravidla vykonáva periodicky, pričom prevodník nie je priamo zapojený do činnosti zariadenia. To zaisťuje dlhodobú metrologickú stabilitu prevádzky meniča aj pri konštantnom vystavení akýmkoľvek destabilizačným faktorom. Takáto organizácia riadenia a korekcie prevodníkov sa môže uskutočňovať počas jeho činnosti ako súčasť meracieho systému mikroprocesora.

Najjednoduchší model nelineárnej zložky chyby DAC je založený na predpoklade stability chyby pre každý kód a jeho náhodnej závislosti od kódu. Je zrejmé, že identifikácia parametrov takéhoto modelu si vyžaduje meranie výstupného signálu na všetkých platných kódoch (riadiaca metóda end-to-end) Pri tejto metóde je povinné používať presný merač.

Hlavnou nevýhodou každej metódy kontroly end-to-end je dlhá doba kontroly spolu s heterogenitou a veľkým objemom použitého zariadenia.

Veľká skupina riadiacich metód založených na testovacom signáli je založená na predpoklade, že bitové váhy sú nezávislé od prevedeného kódu. V tomto prípade je možné zostaviť systém nezávislých rovníc, ktorých počet sa rovná počtu korigovaných bitov prevodníka. Tento systém rovníc často dopĺňajú ďalšie dve, ktoré určujú chybu nulového posunu a chybu mierky. Na zostavenie každej rovnice sa na vstup prevodníka privádza kód z danej množiny. Po vyriešení takého systému rovníc je možné nájsť chyby pri určovaní každej číslice a následne opravnú (kompenzačnú) hodnotu pre každú hodnotu vstupného kódu. Takéto metódy sú v súčasnosti najrozšírenejšie a používajú sa pri konštrukcii mikroprocesorových riadiacich systémov.

Hodnoty korekcie určené tak či onak sa ukladajú spravidla v digitálnej podobe. Opravu chýb, berúc do úvahy tieto opravy, je možné vykonať v analógovej aj digitálnej podobe.

Pri digitálnej korekcii sa opravy pridávajú s prihliadnutím na ich znamienko k vstupnému kódu DAC. Vďaka tomu sa na vstup DAC pošle kód, na ktorom sa na jeho výstupe vytvorí požadované napätie alebo prúd. Najjednoduchšiu implementáciu tejto metódy korekcie tvorí nastaviteľný DAC, na ktorého vstup je nainštalovaná digitálna pamäť (obr. 17.a). Vstupný kód slúži ako kód adresy. Do pamäte sa na príslušné adresy zadajú vopred vypočítané hodnoty kódu, ktoré zohľadňujú zmeny a doplnenia, ktoré sa načítajú do opraveného DAC.

Obrázok: Digitálna (a) a analógová (b) korekcia chýb DAC

Pri analógovej korekcii (obr. 17b) sa okrem hlavného DAC používa ešte jeden ďalší DAC. Rozsah jeho výstupného signálu zodpovedá maximálnej hodnote chyby korigovaného DAC. Vstupný kód sa súčasne privádza na vstupy opraveného DAC a na vstupy adresy korekčnej pamäte. Z korekčnej pamäte sa vyberie korekcia zodpovedajúca zadanej hodnote vstupného kódu. Korekčný kód sa prevedie na proporcionálny signál, ktorý sa sčíta s výstupným signálom opraveného DAC. Kvôli malému požadovanému rozsahu výstupného signálu dodatočného DAC v porovnaní s rozsahom výstupného signálu opraveného DAC sú inherentné chyby prvého zanedbané.

V niektorých prípadoch je nevyhnutné upraviť dynamiku operácie DAC.

Prechodná odozva DAC pri zmene rôznych kombinácií kódov bude iná, inými slovami - doba usadzovania výstupného signálu bude iná. Preto sa pri použití DAC musí brať do úvahy maximálny čas vyrovnania. V niektorých prípadoch je však možné správanie prenosovej charakteristiky korigovať.

Nastavme čas prevodu na menej ako maximálny čas vyrovnania. Ak je možné identifikovať dynamické parametre DAC, je možné vypočítať také korekcie vstupného kódu DAC, pri ktorých výstupná hodnota v tomto určenom čase dosiahne požadovanú hodnotu. V tomto okamihu je potrebné opraviť výsledok prevodu systémových uzlov sledujúcich DAC, pretože po tomto okamihu sa bude výstupný signál DAC naďalej meniť a pôjde na úroveň zodpovedajúcu nie vstupnému kódu, ale jeho opravenej hodnote.