Что такое опорное напряжение ацп
Азбука преобразования. Часть 2
Данная статья является продолжением материала, опубликованного в предыдущем номере. В первой публикации были описаны цифро-аналоговые преобразователи компании Maxim. Рассмотрим теперь аналогово-цифровые преобразователи этой фирмы.
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — электронная схема, которая измеряет сигнал реального мира (температура, давление, скорость и т.д., выраженные в электрических величинах) и преобразовывает его цифровую форму. Аналоговый электрический сигнал на входе преобразователя сравнивается с известным эталонным напряжением и производится цифровое представление этого сигнала. На выходе АЦП имеет обычно двоичный код, пропорциональный входному аналоговому значению. По своей природе АЦП вносит ошибку квантования. Это потерянная информация, поскольку для непрерывного аналогового сигнала должна быть бесконечная разрешающая способность преобразователя, а реально АЦП имеет конечное число разрядов кодирования. Чем выше разрядность АЦП, тем больше разрешающая способность, тем меньше приходится информации на ошибку квантования.
К примеру, для решения некоторой технической задачи разработчик системы сбора информации использует разрядный АЦП. К своему ужасу, в заключительной стадии разработки, он обнаруживает, что цифровые значения кода преобразованных аналоговых сигналов не соответствует разрешающей способности преобразователя. Чтобы этого не произошло, необходимо полное понимание специфики работы АЦП. Прохождение сигнала по цепи приборов накапливает суммарную ошибку. Важно, чтобы она не была ниже некоторого предела. Часто АЦП является ключевым компонентом схемы, поэтому выбор преобразователя требует максимального внимания. Точность АЦП зависит от нескольких ключевых условий, которые включают: ошибку интегральной нелинейности, смещение, ошибку от коэффициента передачи, точность опорного напряжения, температурный коэффициент, характеристики прибора по переменному току.
Рассмотрим работу АЦП в более легком режиме — преобразование сигнала постоянного тока.
Есть два известных метода для определения полной системной ошибки (ПСИ):
В нашем случае, допуская 0,075% (11 разрядов) на преобразователь, 0,025% относим на интерфейс схемы (датчики, операционные усилители, мультиплексоры и т.д.).
Считаем, что полная ошибка будет состоять из суммы составляющих ошибки каждого компонента схемы по цепи прохождения сигнала. Будем считать, что мы выбрали АЦП с температурным диапазоном 0÷70°С, а работать он будет в диапазоне 0÷50°С.
Дифференциальная нелинейность (DNL)
Обычно дифференциальная нелинейность не упоминается как ключевой параметр для АЦП. Но эта ошибка является первой, которую мы рассматриваем. DNL показывает как изменение во входном аналоговом сигнале преобразовывается в единицу значащего младшего разряда. Другими словами, на какую величину изменится аналоговый сигнал при очередном изменении выходного кода на 1МЗР. (см. рис. 4).
Рис. 4. К определению DNL: a) коды не пропадают; b) коды не пропадают; c) код 10 потерян: d) в точке A * ВХ цифровой код может иметь одно из трех возможных значений. Когда входное напряжение колеблется, код 10 будет потерян.
Интегральная нелинейность является составной частью DNL ошибок. Поэтому DNL не включается в список ключевых параметров. Нормально работающий АЦП — это никакого отсутствия или пропуска кода при подаче аналогового сигнала во всем диапазоне входного напряжения. Из рис. 4 видно, что уже при ошибке DNL=±1МЗР нет гарантии, что все коды будут присутствовать. Только учитывая, что при заводских испытаниях тесты более жесткие, чем это указано в ТУ, ошибка ±1МЗР обычно не дает потери кода. Если DNL больше, чем ±1МЗР, АЦП обязательно будет иметь отсутствующие коды. Что делать? Например, Вам нужен АЦП. Вы берете дешевый с DNL ошибкой ±4МЗР (преобразователь соответствует 14 разрядам). И конечно, это будет более выгодно, чем использовать АЦП с DNL ±1МЗР.
Интегральная нелинейность (INL)
Ошибки смещения и коэффициента передачи
Эти ошибки могут быть легко откалиброваны при использовании микропроцессора. В биполярных системах ошибка смещения перемещает функцию передачи, но не уменьшает число доступных кодов. По одной методологии необходимо оси х и у передаточной функции переместить так, чтобы отрицательная полномасштабная точка совпала с нулевой точкой униполярной системы в осях х’и y’. Таким образом устраняется ошибка смещения. Далее вращаем передаточную функцию АЦП до положения, когда новая линия совпадёт с идеальной передаточной функции. Так корректируется ошибка коэффициента передачи.
Второй способ — это метод повторов. На вход АЦП подают нулевое напряжение. Результат преобразования представляет биполярную ошибку смещения нуля. Делая преобразование во всем диапазоне входных напряжений, передвигая ошибку смещения в ноль по осям напряжение/код, получим линию 2 — калибровка смещения. Используя точку А (см. рис. 5) как шарнир, поворачиваем всю линию до положения, параллельного идеальной линии передачи. Здесь опять потребуется смещение полученной линии до совпадения с идеальной. Во всех этих случаях ступенчатая функция заменялась непрерывной линией, так как размер одного шага настолько мал, что вся линия представляется линейной.
Рис. 5. Корректировка ошибки смещения и коэффициента передачи
Некоторые нюансы для униполярной системы. Если смещение положительное, то методология устранения ошибки та же, что и для биополярного питания. Различие состоит в том, что Вы теряете часть кодового диапазона АЦП. Если смещение отрицательное, то невозможно определить сразу ошибку смещения, так как ниже нуля преобразователь отображает только нули. Здесь нужно медленно увеличивать входное напряжение от нулевого значения и определить, где АЦП передает первый действительный код. При этом также теряется часть кодового диапазона АЦП. Вернемся к нашему примеру.
Если ошибка смещения, например, 8 мВ при Uon=2,5В, то это соответствует 8мВ: [2,5:4096]=13МЗР для АЦП. То есть, необходимо из каждого результата преобразования вычесть 13 единиц МЗР, чтобы компенсировать ошибку смещения. Фактическое измеряемое значение составляет 2,492В. Это означает, что входная информация около нулевого значения не преобразовывается в код до тех пор, пока не превысит +8мВ, тем самым сильно уменьшается динамический диапазон ЦАП.
Ошибка коэффициента передачи определяется как разность полной шкалы (FS) и ошибки смещения (см. рис. 6). Ошибка коэффициента передачи легко корректируется в программном обеспечении с линейной функцией у=(m1/m2)х(Х), где: m1 — коэффициент наклона для идеальной передаточной функции, а m2 — для измеряемой передаточной функции.
Рис. 6. Ошибки смещения коэффициента передачи и полной шкалы
Ошибка коэффициента передачи может включать в себя и ошибку от источника опорного напряжения АЦП. Как правило, ошибка коэффициента передачи намного хуже, если используется ИОН, встроенный в АЦП. Для устранения ошибки от ИОН нужно либо «вылизывать» его до величины, когда она передаточная функция действительна во всем диапазоне, либо изменить наклон передаточной функции программно.
Как от ошибки смещения, так и от ошибки коэффициента передача теряется динамический диапазон АЦП. Например, если входное напряжение составляет 4050 дискрет вместо идеальных 4096 (для разрядного преобразователя), это определяется как отрицательная ошибка коэффициента передачи. В этом случае 46 дискрет не будут использованы. Точно так же, если 4096 дискрет появляются при напряжении входа, меньшем, чем полная шкала, динамический диапазон АЦП снова уменьшается. Здесь нужно отметить, что с положительными ошибками невозможно калибровать преобразователь за точками, когда код уже показал полную кодовую шкалу, а аналоговый вход еще не достиг своего предела.
Вообще, самый легкий способ выбора АЦП — это разрядный АЦП, который не надо калибровать. Найти такой прибор, например, с ошибкой не более чем 4МЗР, теперь очень легко.
Другие источники неявной ошибки
Шум граничных кодов
Шум граничных кодов — количество шума, который появляется при переходе передаточной функции от одного значения к следующему. В технических данных обычно не указывается. Особенно это касается АЦП с высоким разрешением (до 16 разрядов), у которых единица МЗР имеет меньшее весовое значение, и шум граничных кодов более распространен. Иногда величина шума граничных кодов может достигать нескольких единиц МЗР. В этом случае преобразование аналогового сигнала может закончиться кодовым мерцанием в младших значащих разрядах. Чтобы эффективно устранить неточность преобразования шумов граничных кодов надо провести необходимое число замеров и усреднить результаты.
Например, если среднестатистическое значение составляет 2/3 МЗР, это приравнивается приблизительно к 4МЗР от пика до пика. Чтобы свести к 1МЗР необходимо выбрать в квадрат раз больше замеров, чем величина шума. В данном случае 4 2 составляет 16 замеров.
Одним из наиболее потенциальных источников ошибок в АЦП является источник опорного напряжения (ИОН). ИОН может быть встроен в чип или быть отдельным прибором, но всегда необходимо обращать внимание на 3 параметра: температурный дрейф, шум напряжения и нестабильность выходного напряжения (или тока) от нагрузки.
Рис. 7. Требования к дрейфу опорного напряжения и разрешающая способность АЦП (С — коммерческие, Е — индустриальные, М — военные)
Часто определяется как среднеквадратическая величина или как величина полного размаха. Если опорное напряжение 2,5В имеет полный размах шума величиной 500 мкВ, то это представляет ошибку 0,02%, что соответствует только разрядному преобразованию. Поэтому ошибка преобразования от шума опорного напряжения рассматривается прежде, чем любая другая. Если, при встроенном ИОН, Вы не получаете требуемую точность, то попробуйте использовать внешний прецизионный источник и сделайте соответствующие выводы.
Нестабильность ИОН от нагрузки
Часто источник опорного напряжения используется для других устройств и/или микросхем. Ток, который при этом отбирается, приводит к нестабильности опорного напряжения. Чем больший ток потребляют внешние схемы, тем ниже падает опорное напряжение. Если дополнительные устройства включаются периодически, то опорное напряжение будет также раскачиваться вверх-вниз. Если стабильность по току для опорного напряжения 2,5.В составляет 0,5 мкВ/мкА и на другие устройства отбирается 800 мкА, то изменение опорного напряжения может достигать 400 мкВ, или 0,016% (400 мкВ/2,5В).
Другие ошибки от изменения температуры
Очень мало внимания при выборе преобразователей уделяется стабильности характеристик от температуры. Те параметры, которые приводятся в технических условиях, обычно даются как типовые значения для определения текущих системных требований. Например, при использовании внешнего ИОН, дрейф напряжения от изменений температуры может составить 0,8 ppm/°С. Если измерение происходило в разное время и при этом изменение температуры составило +/-10 градусов, результат изменения напряжения составит +/-8 ppm. Для разрядного АЦП 1МЗР составляет 1/4096=0,0244%=244 ppm. Таким образом видно, что ошибка составляет только малую долю от 1МЗР для разрядного уровня. Чтобы показать эти характеристики, фирмы-изготовители должны проводить существенно большее количество испытаний приборов. Это приводило бы к росту стоимости готовой продукции. Вот поэтому оценку стабильности параметров и их возможную калибровку приходится делать потребителю электронных приборов.
Характеристики по переменному току
Указанные параметры DNL и INL, не дают ответа на точность преобразования входного напряжения переменного тока, так как применимы только к сигналам постоянного тока. Поэтому необходимо обращаться к характеристикам преобразователя по переменному току.
В таблицах электрических характеристик по переменному току находятся ключи к пониманию работы АЦП с этими сигналами. Такими ключами являются: отношение (SNR), отношение суммы сигнала, шума и искажений к суммарному уровню шума и искажений (SINAD), суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (TDN) и динамический диапазон паразитных спектральных компонентов (SFDR).
SINAD — отношение среднеквадратичного значения сигнала к среднеквадратичному значению суммы всех других спектральных компонентов, включая гармоники, но исключая постоянный ток.
Гармоники появляются в зависимости от частоты квантования.
SNR подобен SINAD за исключением того, что не включает гармонические составляющие. Поэтому SNR всегда должен быть меньше, чем SINAD. Обе эти величины выражаются в dB.
где: N — число разрядов. Для идеального разрядного преобразователя SINAD равен 74 dB. Если это уравнение рассматривать с точки зрения разрядности N, то оно будет иметь вид: N= (SINAD — 1,76)/6,02. Это уравнение является определением эффективной разрядности преобразователя (ENOB) в зависимости от шумовой составляющей.
Поскольку SINAD зависит от частоты входного сигнала, то с увеличением ее SINAD уменьшается. Значение ENOB находят в типовых рабочих характеристиках технических условий. Нелинейные искажения с частотой увеличиваются. Следовательно, ENOB так же деградирует с частотой. Например, при минимальном значении SINAD в 68dB на интересующей частоте означает, что эффективная разрядность составляет 11, то есть 1 разряд информации теряется шума и искажений преобразователя. Тогда Ваш разрядный преобразователь может обеспечить только 0,05% точность в лучшем случае. Итак, преобразователя для сигналов постоянного тока, а ENOB — для сигналов переменного тока.
SNR показывает, каков уровень шума преобразователя. Может наступить резкое уменьшение отношения в функции входного сигнала от частоты. Это значит, что преобразователь не предназначен для работы с сигналами на таких частотах.
Один из способов улучшения SNR — это выборка с запасом по частоте дискретизации (коэффициент расширения спектра сигнала). Выборка с повышенной частотой является методом, уменьшающим уровень шума преобразователя, распространение его по более широкому частотному диапазону. Двойное повышение супердискретизации уменьшает шумовой уровень на 3 dB.
Возвращаясь к примеру с АЦП, принимаем, что мы измеряем сигналы постоянного тока (или низкочастотные). Входные сигналы биполярные. Выбираем АЦП типа MAX1241, который имеет: 1МЗР ошибку INL (0,0244%) ошибка смещения 3МЗР (0,0732%) и коэффициент передачи 4МЗР (0,0977%). Складывая эти ошибки, получаем в сумме 0,1953%. Можно откалибровать смещение и коэффициент передачи и тогда ошибка составит 0,0244%.
Если ошибка источника опорного напряжения меньше чем 0,075%-0,024%=0,051%, то выбранный АЦП будет находиться в пределах бюджета ошибки. Дрейф 5ppm/°С в пределах градусов эквивалентен ошибке 0,025%. Таким образом, в запасе остается еще 0,026%. Для разрядного АЦП, в нашем случае, необходимо иметь ИОН с напряжением шума меньше, чем 1МЗР (2,5В/4096=610мкВ или 102мкВ среднеквадратическое значение). Хорошим выбором будет ИОН MAX6166, у которого дрейф напряжения составляет 5ppm/°C, а среднеквадратическое значение шума — 30 мкВ. Имейте в виду, что шум приравнивается к 180мкВ двойной амплитуды, что составляет третью часть МЗР для разрядного АЦП. По техническим условиям дрейф коэффициента передачи для MAX1241 составляет 0,25ppm/°С или 12,5 ppm в диапазоне изменения температуры 50°С, что является хорошей нормой для такого прибора. Выбор АЦП для достижения необходимой точности завершен. Но здесь не показана работа выбранного преобразователя с сигналами переменного тока. Вот те характеристики, которые отмечены выше, и помогут Вам самостоятельно посмотреть — выполнит ли выбранный прибор требования по точности для сигналов переменного тока.
Представленная выше информация на 100% относится к АЦП конвейерного типа, куда входят преобразователи на основе регистра последовательного приближения. Эти самые популярные приборы с разрешающей способностью от 8 до 16 разрядов имеют скорость выборки от единиц до сотни мегавыборок в секунду (MSps). Более точным приборам соответствует меньшая скорость дискретизации. Так MAX1200/ MAX1201 / MAX1205 имеют соответственно разрешающую способность/скорость выборки — 16 разрядов/1 MSps, 14 разрядов/2MSps. А семейство разрядных АЦП типа MAX1444/ MAX1446 / MAX1448 имеют соответственно скорость выборки 40/60/105 MSps.
Имеют высокую разрешающую способность (MAX132 — 18 разрядов), но скорость преобразования от нескольких сотен Гц до нескольких кГц. Предназначены для преобразования медленно меняющихся сигналов. Большинство схем интегрирующих преобразователей снабжается дешифраторной схемой для непосредственного управления десятичной цифровой линейкой индикаторов. Являются основой портативных цифровых вольтметров на 3,5 — 4,5 — 5,5 декад.
Отслеживающие (дельта-сигма) АЦП
Используется в системах автоматического регулирования. При разрешающей способности 12÷16 разрядов имеют полосу частот до 1 МГц, а разрядный АЦП имеет скорость преобразования от сотни Гц до нескольких кГц. Этот тип преобразователей имеет самую высокую разрешающую способность. Им нужны простые фильтры защиты от наложения спектров, чтобы ограничить полосу частот до преобразования. Нужно помнить, что с увеличением частоты преобразования понижается разрешающая способность.
Имеется еще несколько видов АЦП, комбинированные, многоступенчатые, с балансированием зарядами и пр. Один из способов преобразования физической величины (температуры) непосредственно в цифру используется в температурных датчиках Dallas’а. Здесь два генератора частоты с конденсаторами, у которых разный температурный коэффициент емкости, имеют расходящиеся характеристики частота-температура. Разность этих частот является основой для получения цифрового эквивалента измеряемой температуры.
На рис.8 представлены АЦП с разными типами архитектуры и их отличительные характеристики. По этим кривым можно сделать первичный выбор типа прибора для конкретного применения.
Рис. 8. Отличительные характеристики АЦП с разной архитектурой
Автор надеется, что материал, который был изложен в данном цикле статей, будет полезен разработчикам в практическом выборе преобразователей фирмы MAXIM. Готов ответить на вопросы, которые могут возникнуть по прочтении.
Что такое АЦП и чем оно отличается от ЦАП
Разбираемся с АЦП и ЦАП, какие задачи они решают, в чем их достоинства и недостатки.
Аналого-цифровой преобразователь
Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.
Как устроен АЦП
В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.
Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?
Рассмотрим простейший одноразрядный АЦП, компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в том случае, если напряжение на первом входе больше чем на втором, он выдает логическую единицу, в противном случае 0.
Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.
Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.
Характеристики АЦП
Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.
Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.
Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.
Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.
Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.
Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.
Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.
Нелинейность АЦП
Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.
Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.
Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.
Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.
Шум квантования
В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.
Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.
Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.
Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.
Джиттер
Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.
Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.
Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.
Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство преобразующее входной цифровой сигнал в аналоговый.
На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.
Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.
Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.