Ацп разрешение

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь [1] [2] [3] (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC ) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства, такие как преобразователь угол-код, следует также относить к АЦП.

Содержание

Разрешение (разрядность) АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку \(2^8 = 256\).

Разрешение может быть также определено в терминах входного сигнала и выражено, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений. Например:

  • Пример 1
    • Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
    • Разрядность АЦП 12 бит: 2 12 = 4096 уровней квантования
    • Разрешение по напряжению: (10-0)/4096 = 0.00244 вольт = 2.44 мВ
      • Пример 2
        • Диапазон входных значений = от −10 до +10 вольт
        • Разрядность АЦП 14 бит: 2 14 = 16384 уровней квантования
        • Разрешение по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0.00122 вольт = 1.22 мВ

        На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits — ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумленного сигнала младшие биты выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности.

        Линейные АЦП [ править ]

        Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование по сути является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная). Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от

        где m и b — некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b = −0.5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).

        Нелинейные АЦП [ править ]

        Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безынерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала квантуются с лучшим разрешением. Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.

        Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. (Не путать компандер с компрессором!)

        Например, голосовой сигнал имеет лапласово распределение амплитуды. Это означает, что окрестность нуля по амплитуде несёт больше информации, чем области с большей амплитудой. По этой причине логарифмические АЦП часто применяются в системах передачи голоса для увеличения динамического диапазона передаваемых значений без изменения качества передачи сигнала в области малых амплитуд.

        8-битные логарифмические АЦП с a-законом или μ-законом обеспечивают широкий динамический диапазон и имеют высокое разрешение в наиболее критичном диапазоне малых амплитуд; линейный АЦП с подобным качеством передачи должен был бы иметь разрядность около 12 бит.

        Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера ( англ. jitter ) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).

        Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0.4 %.

        Ошибки квантования [ править ]

        Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранен ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчете находится в пределах от нуля до половины МЗР.

        Как правило, амплитуда входного сигнала много больше, чем МЗР. В этом случае ошибка квантования не коррелирована с сигналом и имеет равномерное распределение. Её среднеквадратическое значение совпадает с среднеквадратичным отклонением распределения, которое равно \(<1 \over <\sqrt<12>>> \mathrm \approx 0.289 \ \mathrm\). В случае 8-битного АЦП это составит 0.113 % от полного диапазона сигнала.

        Нелинейность [ править ]

        Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путем калибровки.

        Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).

        Апертурная погрешность [ править ]

        Пусть мы оцифровываем синусоидальный сигнал \(x(t)=A< \href < \texttip < \sin>< Синус >>> 2 \pi f_0 t\). В идеальном случае отсчёты берутся через равные промежутки времени. Однако, в реальности время момента взятия отсчёта подвержено флуктуациям из-за дрожания фронта синхросигнала (clock jitter). Полагая, что неопределённость момента времени взятия отсчёта порядка \(\Delta t\), получаем, что ошибка, обусловленная этим явлением, может быть оценена как

      • \(E_ \le |x'(t) \Delta t| \le 2A \pi f_0 \Delta t\).
      • Легко видеть, что ошибка относительно невелика на низких частотах, однако на больших частотах она может существенно возрасти.

        Эффект апертурной погрешности может быть проигнорирован, если её величина сравнительно невелика по сравнению с ошибкой квантования. Таким образом, можно установить следующие требования к дрожанию фронта сигнала синхронизации:

        Из этой таблицы можно сделать вывод о целесообразности применения АЦП определенной разрядности с учётом ограничений, накладываемых дрожанием фронта синхронизации (clock jitter). Например, бессмысленно использовать прецизионный 24-битный АЦП для записи звука, если система распределения синхросигнала не в состоянии обеспечить ультрамалой неопределенности.

        Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.

        Все АЦП работают путём выборки входных значений через фиксированные интервалы времени. Следовательно, выходные значения являются неполной картиной того, что подаётся на вход. Глядя на выходные значения, нет никакой возможности установить, как себя вёл входной сигнал между выборками. Если известно, что входной сигнал меняется достаточно медленно относительно частоты дискретизации, то можно предположить, что промежуточные значения между выборками находятся где-то между значениями этих выборок. Если же входной сигнал меняется быстро, то никаких предположений о промежуточных значениях входного сигнала сделать нельзя, а следовательно, невозможно однозначно восстановить форму исходного сигнала.

        Некоторые характеристики АЦП могут быть улучшены путём использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала ( англ. dither ). Она заключается в добавлении к входному аналоговому сигналу случайного шума (белый шум) небольшой амплитуды. Амплитуда шума, как правило, выбирается на уровне половины МЗР. Эффект от такого добавления заключается в том, что состояние МЗР случайным образом переходит между состояниями 0 и 1 при очень малом входном сигнале (без добавления шума МЗР был бы в состоянии 0 или 1 долговременно). Для сигнала с подмешанным шумом вместо простого округления сигнала до ближайшего разряда происходит случайное округление вверх или вниз, причём среднее время, в течение которого сигнал округлён к тому или иному уровню зависит от того, насколько сигнал близок к этому уровню. Таким образом, оцифрованный сигнал содержит информацию об амплитуде сигнала с разрешающей способностью лучше, чем МЗР, то есть происходит увеличение эффективной разрядности АЦП. Негативной стороной методики является увеличение шума в выходном сигнале. Фактически, ошибка квантования размазывается по нескольким соседним отсчётам. Такой подход является более желательным, чем простое округление до ближайшего дискретного уровня. В результате использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала мы имеем более точное воспроизведение сигнала во времени. Малые изменения сигнала могут быть восстановлены из псевдослучайных скачков МЗР путём фильтрации. Кроме того, если шум детерминирован (амплитуда добавляемого шума точно известна в любой момент времени), то его можно вычесть из оцифрованного сигнала, предварительно увеличив его разрядность, тем самым почти полностью избавиться от добавленного шума.

        Влияние фильтров Байера в цифрографии при АЦП [ править ]

        Очень похожий процесс, также называемый dither или диффузия ошибок, применяется для представления полутонов оптического изображения в цифровой фотографии при малом количестве бит на пиксел. Особенно это проявляется в получаемом изображении, которое становится визуально менее реалистичным, чем то же, но без подмешивания сигналов с другими характеристиками. Фотосенсоры с фильтром Байера при экспозиции каждым пикселем фиксируют 1/3 аналогового сигнала RGB и для восстановления его яркости сигнал восстанавливается подмешиванием 2/3 величиной заряда пикселя за счет соседних аналоговых сигналов предметных точек, но имеющих другие характеристики кривой. Что в результате на выходе после дискретизации, кватовании, модуляции, восстановления и оцифровке получаем не аналоговый входной сигнал. Фотосенсоры без фильтра Байера после АЦП входных аналоговых сигналов на выходе после восстановления дают близкий к оригиналу сигнал, т.е. аналоговое изображение. [4] [5]

        Как правило, сигналы оцифровываются с минимально необходимой частотой дискретизации из соображений экономии, при этом шум квантования является белым, то есть его спектральная плотность мощности равномерно распределена во всей полосе. Если же оцифровать сигнал с частотой дискретизации, гораздо большей, чем по теореме Котельникова-Шеннона, а затем подвергнуть цифровой фильтрации для подавления спектра вне частотной полосы исходного сигнала, то отношение сигнал/шум, будет лучше, чем при использовании всей полосы. Таким образом можно достичь эффективного разрешения большего, чем разрядность АЦП.

        Передискретизация также может быть использована для смягчения требований к крутизне перехода от полосы пропускания к полосе подавления антиалиасингового фильтра. Для этого сигнал оцифровывают, например, на вдвое большей частоте, затем производят цифровую фильтрацию, подавляя частотные компоненты вне полосы исходного сигнала, и, наконец, понижают частоту дискретизации путём децимации.

        Применение АЦП в звукотехнике [ править ]

        АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на компакт-диск.

        Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц. Многие люди, занятые в этой области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема Котельникова-Шеннона). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехники используется частота дискретизации 44.1 кГц (стандартная для CD) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако, широкая полоса упрощает и удешевляет реализацию антиалиасинговых фильтров.

        Применение АЦП в фототехнике [ править ]

        Цифроавя фотография не мыслима без АЦП. Применение фотосенсров вместо фотоплёнки, получение аналоговых изображений в том числе цветных, применение видео и телетехники объязаны АЦП.

        Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме. Быстрые видео АЦП используются, например, в TV-тюнерах. Медленные встроенные 8, 10, 12, или 16 битные АЦП часто входят в состав микроконтроллеров. Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах. Современные весы используют ацп с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика.

        traditio.wiki

        3.5 Пример1

        Пивовар из Дублина хочет измерять температуру процесса на своем пивоваренном заводе. Номинальное напряжение соответствующее его окружающей температуре — 2.5 В. Рисунок 3-4 показывает характеристику устройства измерения температуры.

        Рисунок 3-4. Функция напряжение/температура

        Пивовар не хочет уменьшать динамический диапазон входного сигнала и выбирает величину опорного напряжения АЦП – 5 В. В этом случае 10-ти разрядный АЦП не может обеспечить требуемой точности, поскольку шаг квантования будет составлять

        5 мВ, что соответствует температурному разрешению 0.25°C. Пивовар хочет, чтобы результат имел точность 0.1 °C, а это требует проведения измерений с разрешением меньше 2 мВ. Если бы измерения были выполнены 12-ти разрядным АЦП, шаг измерения напряжения составил бы

        1.22 мВ. Пивовару нужно трансформировать 10-ти разрядный АЦП к виртуальному 12-ти разрядному. Поскольку входной сигнал меняется очень медленно, высокая частота дискретизации не требуется. Согласно техническому описанию AVR для обеспечения эффективного 10-ти разрядного разрешения тактовая частота АЦП должна быть в диапазоне от 50 кГц до 200 кГц. По этой причине пивовар выбрал тактовую частоту АЦП 50 кГц. Это соответствует частоте дискретизации

        3800 SPS (выборок в секунду). Допустим, в какой-то момент значение напряжения, представляющее температуру, составляет 2.4729V. Таблица 3-1 показывает варианты измерений этого значения с различным разрешением при Vin = 2.4729V и VREF = 5V.

        Таблица 3-1. Варианты разрешения


        Допустим, в результате одиночного преобразования было получено значение 505, на первый взгляд оно может выглядеть правильным. Но это число также соответствует, напряжению 2.4658 В. Это ставит пользователя в неопределенность и вызывает ошибки в температурных измерениях, что в некоторых случаях может быть неприемлемо. Как было замечено раньше, сигнал обычно содержит некоторый шум, позволяющий использовать метод децимации.

        Чтобы увеличить разрешение на один бит, складываем ближайшие 4 выборки. Поскольку выборки содержат шум, они отличаются друг от друга несколькими младшими значащими разрядами. Например, сложили такие четыре выборки: 508 + 507 + 505 + 505 = 2025. Согласно принципу децимации полученную сумму нужно масштабировать к 11 разрядному числу. Для этого нужно сдвинуть результат вправо n раз, где n – количество желаемых дополнительных битов разрядности. Результат – 1012. После увеличения разрешения, можно неожиданно получить выборки между исходными шагами квантования. Тем не менее, сигнал оцифрован с достаточным запасом по частоте, чтобы увеличить разрешение дальше до 12 бит. Сложив 16 10-ти разрядных выборок и сдвинув результат вправо на 2 разряда, мы это сделаем. Результат – 2025. Это более достоверное число, потому что, при использовании 12-ти разрядного результата, погрешность снижается до

        1.22 мВ. Этот пример показывает, что пользователь, начав измерять медленно меняющийся сигнал с частотой дискретизации 3800 выборок в секунду и точностью

        5мВ, теперь имеет 240 выборок с 12-ти битным разрешением и точностью

        Также пользователь может хотеть выровнять флуктуации сигнала путем усреднения 16-ти 12-ти разрядных выборок. Для этого складываются 16 выборок и результат делиться на 16. В итоге пользователь имеет 15 выборок в секунду, каждая из которых состоит из 16 усредненных 12-ти разрядных соседних выборок (15 * 16 * 16 = 3840)

        — “оверсемплинг и децимация” будут использовать шум для повышения разрешения,
        — нормальное усреднение будет уменьшать последствия случайного шума.

        3.6 Пример 2

        Следующий пример покажет, что для достижения высокой точности нет необходимости использовать внешний АЦП. Здесь используется генератор сигналов для формирования линейного нарастающего сигнала от 0 В до 5 В. В малошумящем приложении с генератором сигналов и AVR микроконтроллером, размещенном на отладочной плате STK500, может не оказаться шума, достаточного для переключения нескольких младших разрядов 10-ти битного сигнала. В этом случае к входному сигналу необходимо добавить искусственный шум. Для этих целей могут быть использованы 4 метода:

        — добавление шума, создаваемого генератором сигналов, непосредственно к входному сигналу,
        — генерация шума с помощью AVR, используя ШИМ, и добавление его к входному сигналу,
        — добавление шума, создаваемого AVR, на вход AREF, когда в качестве опорного напряжения VREF используется напряжение на выводе AVCC,
        — добавление шума, создаваемого AVR, на вход AREF, когда в качестве опорного напряжения VREF используется источник, подключенный к AREF.

        Простейший способ “загрязнить” сигнал – добавить белый шум непосредственно к нему. Однако в большинстве случаев у пользователя нет или он не хочет иметь подобные шумовые сигналы в измерительных приложениях. Более доступный метод состоит в том, чтобы установить один из счетчиков AVR в режим формирования ШИМ сигнала и пропустить этот “шум” через низкочастотный фильтр, чтобы представить его постоянным сигналом с пульсациями в несколько МЗР. Пример подобного фильтра показан на рисунке 3-5.

        Рисунок 3-5. Низкочастотный фильтр

        Если VCC = 5 В, отфильтрованный сигнал на выводе AREF представляется уровнем 2.5 В, когда рабочий цикл счетчика 0% и 5 В, когда рабочий цикл 100%. В этом примере рабочий цикл ШИМ сигнала – 50%, а базовая частота

        3900 Гц. Потенциометр величиной 10 кОм используется, чтобы регулировать пульсации. ШИМ сигнал используется или в качестве опорного напряжения АЦП, или в качестве шумового генератора, подключенного к выводу AREF. AVCC при этом установлен в качестве опорного напряжения АЦП. Идея состоит в том, что небольшие вариации опорного напряжения будут давать такой же эффект, как и небольшие изменения входного сигнала, при этом, совершенно не затрагивая его.

        Измерение линейно нарастающего сигнала представлено на рисунках 3-7, 3-8, 3-9, 3-10. Рисунок 3-7 показывает 10-ти разрядное дискретное представление входного сигнала, полученное без добавления искусственного шума. Здесь очень явно видны шаги квантования. Чтобы улучшить разрешение сигнала, необходимо уменьшить их.

        Рисунок 3-8 показывает 12-ти разрядное дискретное представление входного сигнала, когда AREF используется в качестве опорного напряжения АЦП и добавлено несколько разрядов шума. Согласно формуле 3-1, каждый 12-ти разрядный результат состоит из 16-ти 10-ти разрядных выборок. Рисунок 3-9 показывает 14-ти разрядное дискретное представление входного сигнала, а рисунок 3-10 16-ти разрядное. Когда измеряется сигнал содержащий шум, или когда опорное напряжение варьируется как в этом примере, важно помнить, верхнее и нижнее значения уменьшаются на величину амплитуды шумового сигнала, что дает небольшое снижение динамического диапазона.

        Рисунок 3-6. Входной сигнал, 0 – 5 В



        Рисунок 3-7. Нарастающий сигнал, представленный с 10-ти разрядным разрешением


        Рисунок 3-8. Нарастающий сигнал, представленный с 12-ти разрядным разрешением


        Рисунок 3-9. Нарастающий сигнал, представленный с 14-ти разрядным разрешением


        Рисунок 3-10. Нарастающий сигнал, представленный с 16-ти разрядным разрешением

        Легко видеть, что, используя метод оверсемплинга и децимации, можно значительно увеличить разрешение сигнала.

        Когда АЦП делает выборки сигнала, он кодирует его дискретными шагами. Это вносит некоторую ошибку, известную как ошибка квантования. Использование нормального усреднения будет только сглаживать флуктуации сигнала, тогда как метод оверсемплинга и децимации будет увеличивать разрешение. Суть метода заключается в дискретизации сигнала с более высокой частотой и вычислении новой выборки сигнала на основе полученных дополнительных выборок. Требуемая частота дискретизации может быть найдена по формуле 3-1. Сложение дополнительных выборок и сдвиг результата вправо на n, будет давать результат с разрешением, увеличенным на n разрядов. Усреднение четырех результатов преобразования дает новый результат, как если бы АЦП дискретизировал сигнал с частотой в одну четверть, но это также дает эффект усреднения шума квантования, улучшая отношение сигнал-шум. Что увеличивает количество эффективных разрядов АЦП и уменьшает ошибку квантования. Доступность скоростных АЦП и низкая стоимость памяти, делает применение метода оверсемплинга и децимации экономически целесообразным.

        Подведем итоги:

        — в сигнале должен присутствовать шум амплитудой не меньше 1 МЗР
        — если амплитуда шума недостаточна, добавьте шум к сигналу
        — накапливайте 4*n выборок, где n – количество дополнительных битов разрешения
        — масштабируйте аккумулированный результат, путем его сдвига вправо на n разрядов
        — скомпенсируйте ошибки в соответствии с руководством AVR120

        chipenable.ru

        Это интересно!

        Снижение стоимости мониторинга электросетей с помощью высокопроизводительных АЦП с одновременной выборкой

        Стремление повысить мощность и снизить расход энергии стимулируют рост инвестиций в развитие единой инфраструктуры электросетей. В результате системы мониторинга электросетей становятся критическими элементами в новых интеллектуальных энергетических системах как в однофазных, так и в многофазных приложениях. Чтобы удовлетворить жесткие требования к таким системам мониторинга, разработчики систем релейной защиты или многоканальных систем SCADA используют высокопроизводительные многоканальные АЦП с одновременной выборкой.

        АЦП: спор архитектур с точки зрения энергоэффективности

        В журнале ЭК №5, 2010 г., была опубликована первая часть статьи, в которой в форме состязания сравнивались две архитектуры преобразователей: АЦП последовательного приближения и сигма-дельта АЦП. По итогам 7-раундового матча была зафиксирована ничья: каждый из двух типов АЦП сумел добиться преимущества при решении определенной задачи. Во второй части статьи сравнивается энергоэффективность двух архитектур АЦП. Публикация представляет собой перевод [1].

        Сигма-дельта АЦП компании MAXIM

        Прецизионные измерения, а также измерения в широком динамическом диапазоне довольно часто ассоциируются с сигма-дельта аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Компания Maxim предлагает широкий ассортимент преобразователей для решения самых разнообразных задач при построении приборов — от батарейных переносных до составных частей больших индустриальных систем. В статье приведены краткие описания, характеристики и примеры использования новейших микросхем.

        По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

        Реклама наших партнеров

        1 июля

        В чем разница между точностью и разрядностью АЦП?

        Очень часто разрядность АЦП отождествляют с его точностью. Это не всегда верно. В статье объясняется, в чем состоит разница между этими параметрами.

        В технической документации производители указывают характеристики АЦП по-разному, и это сбивает с толку инженеров. Самые большие споры вызывают два параметра: разрешение и точность. Попробуем разобраться, чем они отличаются, как соотносятся с другими характеристиками, такими как динамический диапазон или порог шума, и как их применять.

        Динамический диапазон, точность и разрешение
        Динамический диапазон (ДД) есть разница между максимальным и минимальным сигналами, которые может измерить преобразователь. В качестве максимального сигнала может быть взят размах, амплитуда или среднеквадратичное напряжение полной шкалы (ПШ). Эти величины разные. Например, для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В размах составляет 2 В, а среднеквадратичное напряжение — 0,707 В. В качестве минимально различимого сигнала обычно берут среднеквадратичное напряжение шума на входе АЦП в отсутствие сигнала. Это значение зависит от полосы частот, на которой оно измеряется. При удвоении частоты шум увеличивается в 1,41 раза или на 3 дБ. Важно понимать, что ДД — величина, относящаяся к какой-либо частотной полосе. Часто ДД и отношение сигнал-шум (SNR) устройства считают одной и той же величиной и измеряют в дБ:

        Иногда производители берут не среднеквадратичное напряжение ПШ, а его амплитуду или размах, чтобы «увеличить» динамический диапазон на несколько дБ.
        Разрешение и точность — параметры, которые часто путают, когда речь идет о производительности АЦП. Разрешение — это количество разрядов, используемых при оцифровке входного сигнала. Например, 16-разрядный АЦП разбивает шкалу на 216 (65536) позиций выходного кода. Минимальный сигнал, который устройство может измерить, равен 1 разряду (МЗР — младший значащий разряд) или 1/65536 доле напряжения ПШ.
        Точность АЦП характеризует, насколько близко фактический выходной код совпадает с теоретическим для данного входного аналогового сигнала. Другими словами, это количество разрядов выходного кода, которые несут полезную информацию о входном сигнале.
        Как уже говорилось, точность АЦП может оказаться намного ниже разрешения из-за внутренних и внешних источников шума. В этом случае 4 МЗР — это случайный шум АЦП. Часто ДД преобразователя и его точность — это одно и то же. На рисунке 1 приведена общая схема АЦП.

        Рис. 1. Общая схема АЦП

        Идеальный преобразователь генерирует выходной код как функцию аналогового входного и опорного напряжений:

        Каждый выходной код — это доля опорного напряжения.
        Важно заметить, что ДД преобразователя должен соответствовать максимальной амплитуде преобразуемого сигнала, чтобы точность преобразования была наиболь-
        шей.
        Пусть входной сигнал меняется в пределах 0. 2,5 В, а VREF = 3,3 В, как показано на рисунке 2.

        Рис. 2. Несогласованный входной сигнал АЦП

        Как мы говорили, 16-разрядный АЦП генерирует 65536 кодовых позиций или шагов, МЗР = 3,3/65536 = 50,35 мкВ. Для идеального АЦП все коды будут иметь одинаковую ширину, равную 1 МЗР. Максимальное входное напряжение составляет 2,5 В, это 49652 выборки. Соответственно, 15884 кода не используются, поэтому эффективная разрядность (ENOB) или потеря в точности составят 0,4 разряда.
        Потеря в ENOB оказывается тем больше, чем больше разница между максимальным входным сигналом и VREF. Если максимальный входной сигнал равен, например, 1,2 В, а VREF = 3,3 В, то ENOB уменьшится на 1,5 разряда. Именно поэтому важно согласовать динамический диапазон АЦП и максимальную амплитуду сигнала. Рассмотрим несколько примеров применения этих параметров.

        Цифровая камера

        Для простоты будем считать, что для цифровой камеры ДД — это диапазон от самого темного до самого яркого света, который можно обнаружить, выраженный в битах. Минимальная скорость передачи (разрешение) АЦП определяется динамическим диапазоном (точностью) датчика изображения. Например, если ДД равен 1000:1 (60 дБ), то АЦП должен иметь по крайней мере 10 разрядов (2 10 = 1024 уровня), чтобы информация не потерялась. На практике лучше сделать запас, например, использовать 12-разрядный преобразователь, чтобы свести к минимуму влияние помех.
        Утверждать, что камера имеет точность 12 разрядов только потому, что такова разрядность АЦП бессмысленно, поскольку не приняты во внимание внешний шум и возможности пиксела.
        Из сказанного выше становится ясно, что точность системы совпадает с разрядностью АЦП только в том случае, если датчик имеет достаточный ДД. Тоновый и динамический диапазоны системы не могут превышать ДД датчика. Понятия «12-разрядная камера» и «камера с 12-разрядным АЦП» — не одно и то же.

        Резистивный датчик температуры
        Обычно датчики этого вида изготавливаются из платины и имеют следующие характеристики: сопротивление при температуре 0°С = 100 Ом, изменение сопротивления на 1°С = 0,385 Ом, ток включения 1 мА, температурный диапазон 0. 500°С.
        Резистивные датчики работают при малом токе порядка 1 мА. При изменении температуры на 1°С сопротивление изменится на 0,385 Ом, поэтому малейшая погрешность измерения сопротивления приведет к большой ошибке в измерении температуры.
        Резистивные датчики температуры регистрируют изменение температуры на 0,1°С. Это значение 1 МЗР в диапазоне 0. 500°С. Соответствующее изменение сопротивления составляет 192,5 Ом. Отсюда напряжение в данном диапазоне будет равно 192,5 мВ, а ДД = VПШ/МЗР = 192,5 / 38,5 = 5000. Следовательно, для рассматриваемой системы подойдет 13-разрядный АЦП.
        Поскольку напряжение на термометре варьируется в диапазоне 100. 292,5 мВ с очень небольшим МЗР, чтобы его различил АЦП, то следует усилить сигнал. Пусть усилитель имеет постоянный коэффициент усиления 17. Тогда входное напряжение будет находиться в пределах 1,7…4,92 В. Как говорилось ранее (см рис. 2), при таком диапазоне входных напряжений АЦП используется не в полную силу. Принимая, что напряжение ПШ = 5 В, получаем, что ENOB = 1,44 ln [VПШ/МЗР] = 1,44 ln[5 В/ 38,5 мкВ] ≈ 17 разрядов. Для этой задачи лучше взять хороший сигма-дельта преобразователь.

        Счетчики электроэнергии

        Современные счетчики электроэнергии — сложные электронные устройства, имеющие высокую точность и широкий ДД. ДД счетчика первого класса равен 2000:1, минимальный входной сигнал составляет примерно 0,5 мВ, напряжение ПШ = 1 В.
        Максимальная погрешность счетчика составляет 0,1%. Соответственно, точность должна быть не хуже 500 нВ — это минимальный допустимый входной сигнал. Количество выборок 1 В/500 нВ = 2·10 6 . Это соответствует эффективной разрядности 21. Заметим, что при этом подходит не любой 21-разрядный АЦП. Необходимо, чтобы он имел очень низкий пороговый шум и различал столь малое входное напряжение. Еще более строгие требования предъявляются к току счет-
        чика.
        Точность АЦП зависит не только от производительности или другого параметра АЦП. Она определяется и внешними элементами схемы, поскольку ДД преобразователя определяется схемой устройства.

        www.russianelectronics.ru

        Смотрите еще:

        • Приказы и законы по гражданской обороне Федеральный закон 28-ФЗ О гражданской обороне Федеральный закон от 12 февраля 1998 г. N 28-ФЗ О гражданской обороне (с изменениями от 9 октября 2002 г., 19 июня 2004 г.) Принят Государственной Думой 26 декабря 1997 года Одобрен Советом Федерации 28 января 1998 года Настоящий Федеральный закон определяет […]
        • Федеральным законом о санитарно-эпидемическом благополучии населения Главная | ФЗ "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" 30 марта 1999 года N 52-ФЗ О САНИТАРНО-ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОМ БЛАГОПОЛУЧИИ НАСЕЛЕНИЯ ПринятГосударственной Думой12 марта 1999 года ОдобренСоветом Федерации17 марта 1999 года Глава I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Глава II. ПРАВА И ОБЯЗАННОСТИ ГРАЖДАН, […]
        • Закон об обязательном медицинском страховании граждан рф Федеральный закон от 29 ноября 2010 г. N 326-ФЗ "Об обязательном медицинском страховании в Российской Федерации" (с изменениями и дополнениями) Федеральный закон от 29 ноября 2010 г. N 326-ФЗ"Об обязательном медицинском страховании в Российской Федерации" С изменениями и дополнениями от: 14 июня, 30 ноября, […]
        • Бруцеллез санитарные правила Бруцеллез. Санитарные нормы и правила 3.1.7.2613-10 Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 26.04.2010 N 39 Об утверждении СП 3.1.7.2613-10 Текст документа по состоянию на июль 2011 года В соответствии с Федеральным законом от 30.03.1999 N 52-ФЗ "О санитарно-эпидемиологическом […]
        • Должность доцента стаж При определении научной специальности, по которой будет осуществляться представление соискателя к ученому званию, необходимо руководствоваться: а) соответствием направленности читаемых соискателем ученого звания курсов лекций или дисциплин, по которым проводятся иные виды занятий научной специальности; б) […]
        • Уменьшение размера штрафа Автострахование Жилищные споры Земельные споры Административное право Участие в долевом строительстве Семейные споры Гражданское право, ГК РФ Защита прав потребителей Трудовые споры, пенсии Главная Снижение размера штрафа в пользу потребителя. Судебная практика Как видно из […]
        • 280 закон хабаровского края 280 закон хабаровского края Закон Хабаровского краяот 29 июня 2005 г. N 280"О государственной гражданской службе Хабаровского края" Настоящий Закон в соответствии с Федеральными законами "О системе государственной службы Российской Федерации", "О государственной гражданской службе Российской Федерации" […]
        • Жкх правила 170 Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда МДК 2-03.2003 — постановление Госстроя РФ №170 Постановление Госстроя РФ от 27.09.2003 г. №170«Об утверждении Правил и норм технической эксплуатации жилищного фонда»МДК 2-03.2003 I. Основные положенияII. Организация технического обслуживания и […]

Комментарии запрещены.