Основные схемы пассивных РИП

По структуре РИП может быть с разомкнутым (последовательным или последовательно параллельным) и с замкнутым соединением звеньев (компенсационные, имеющие обратную связь). Схемы реальных приборов могут содержать отдельные части, имеющие структуру каждого из трех приведенных вариантов схем.    

               Функциональные преобразователи

              Последовательная схема                                 

Последовательно-параллельная схема

Компенсационная схема Рис. 7. Схемы приборов

Идеализированная структурная схема прибора с последовательным соединением модулей содержит первичный преобразователь (ПП), последовательно с которым включены другие преобразователи и индикатор. Здесь в качестве встроенной меры применен калиброванный канал передачи сигнала от входа прибора до его шкалы или сигнал образцового источника, включаемый на время калибровки на вход ПП. В последовательно-параллельной схеме сигналы группы параллельных преобразователей подаются на сумматор и далее на индикатор. Калибровка аналогична приведенному выше варианту.

Третий вариант схемы РИП реализует метод сравнения с мерой, которая включена в обратную связь.  

Это компенсационная схема. Здесь на сумматор приходят входной сигнал и сигнал, формируемый мерой. Индикатор «0» показывает равенство этих сигналов. Регулятор величины меры может при достижении «0» служить шкалой отсчета уровня входного сигнала. Можно также применять встроенный измеритель сигнала меры. Нередко на выходе меры включается калиброванный делитель сигнала (аттенюатор, делитель частоты и др.)

Для компенсационного метода может потре­боваться вспомогательный источник энергии, который поставлял бы точно столько же энергии, сколько в противном случае потреблялось бы от источ­ника измеряемой величины. Компенсацией можно воспользоваться для подавления возмущающих воздействий. В дифференциальном усилителе на паре биполярных транзисторов компенсация уменьшает влияние температурных изменений.

Измерительные мосты

     Мостовые методы используются для различных задач измерения сопротивления, емкости, индуктивности, добротности. На их основе строятся измерители температуры, перемещений, объема, скорости и др. устройства систем автоматики. Широкое применение мостовых схем обусловлено высокой чувствительностью и высокой точностью измерений. В зависимости от вида, мосты делят на следующие виды:

Рис. 8. Мост четырехплечий

- мосты постоянного тока;

- мосты переменного тока;

- одинарные или четырехплечие;

- двойные или шестиплечие.

Для моста постоянного тока, приведенного на рис. 8, плечи образованы постоянными резисторами. Если R₁ = R₃, R₂ = R₄, то в точках а) и б) потенциалы будут одинаковые и ток в цепи гальванометра отсутствует. Это условие баланса моста.

R₁R₄ = R₂R₃

     Если одно из сопротивлений изменилось, то балансировка нарушается и в цепи диагонали моста появляется ток. Если одно из этих сопротивлений неизвестно, то, добившись балансировки моста, можно найти его достаточно точно. Если известное сопротивление изменилось на небольшую величину DR₁, то изменение тока в цепи гальванометра линейно связано с величиной DR₁:

     Важнейшей характеристикой моста является его чувствительность. Самая высокая чувствительность когда все R_i одинаковые. Погрешности мостовых схем, как правило, на порядок, а то и на два меньше, чем погрешности методов прямого преобразования за счет использования высокочувствительного индикатора баланса моста и высоковольтного источника опорного напряжения U_o. На точность мостовых схем влияет точность меры (известные сопротивления).

Мостовую схему из четырех резисторов в 1833 году придумал Кристи (S.H. Christie). Однако называют эту конструкцию по имени сэра Чарльза Уитстона (Wheatstone), который в 1843 году первым воспользовался ею для измерения сопротивления. Помимо использования для определения электрических импедансов, мостовой метод может быть также полезен при измерении других величин, таких как тепловые, гидравлические, акустические и т. д.

Лекция 11: Принципы построения цифровых измерительных приборов (ЦИП)

     ЦИП классифицируются по областям и виду измерений, степени автоматизации, наличию интерфейса и микропроцессорной системы (МПС). Цифровыми называются приборы, показания которых представлены в цифровой форме. Они обладают высокой точностью, помехозащищенностью, сопрягаются с внешними системами и ЭВМ через стандартные шины. Все приборы (в том числе и ЦИП), как было показано выше, можно разделить на 2 группы: активные (измерители устройств) и пассивные (измерители сигналов).

Рис. 5. ИП «Устройства»

На входы объекта через блок сопряжения поступают испытательные сигналы Х_Nвх, которые на выходе объекта через блок сопряжения приходят на измерительную часть Х_nвых. По соотношению входных и выходных сигналов можно определить параметры объекта: Y = f (X_Nвх,Х_nвых). Процедура облегчается, если ввести информацию о параметрах или собственно сигналы Х_Nвх в измерительную часть. Системой (прибором) должен управлять блок управления (БУ). ПРИМЕР: измеритель коэффициента передачи

Рис. 6. ИП «Сигнала»

ИП «Сигнала» - это фактически измерительная часть ИП «Устройства». На схеме не показан активный объект измерения, есть только его сигнал, у которого надо измерить параметры. При этом ИП должен содержать совокупность модулей.

Аналоговая часть прибора — это усилители, аттенюаторы, преобразователи частоты, трансформаторы и т. д. Индикатор может быть соединен и с аналоговой частью. Есть также БУ, который всем управляет. Цифровая часть прибора содержит модуль интерфейса, позволяющий формировать результаты измерения и передавать их на внешние устройства, а также применять системы для внешнего управления прибором.

Варианты ЦИП: с жесткой логикой и программируемые (наличие МПС).Если прибор микропроцессорный, то БУ объединяется с цифровой частью и появляются дополнительные возможности.

Применение МП это революция в технологии измерений. Не только улучшаются метрологические характеристики, но изменяется идеология построения РИП и систем. Появился новый класс «интеллектуальных» приборов, которые руководят действиями оператора, указывают ему на ошибки и исправляют их. Обобщенная структурная схема РИП и МПС в режиме измерения сигнала (при измерении устройства добавляется стимулирующая часть и блок сопряжения с объектом) представлена на рис.

Рис. 7. Микропроцессорный РИП

Через ЦАП МПС управляет работой отдельных узлов РИП (в основном аналоговой частью), корректируя полярность, входной сигнал, разрядность и т.д.

Функции МПС в РИП. Применением МПС обеспечивается:

1. Расширение функциональных возможностей приборов

До применения МПС многофункциональный прибор – это конструктивное объединение разных функциональных частей, при котором переход от одного режима (параметра) измерения к другому достигается коммутацией узлов и сменой жестких алгоритмов обработки. Применение МПС преобразует работу с жесткой логикой в программно–управляемую работу. При этом функции наращиваются программными средствами при тех же алгоритмах снятия данных (например, измерив f, можно рассчитать T).

2. Расширение измерительных возможностей

Достигается за счет использования принципов косвенных и совокупных измерений, которые в приборах с жесткой логикой обычно не используются. МПС по результатам прямых измерений обрабатывает результаты и получает необходимые данные.

3. Обработка результатов однократных измерений:

- Масштабирование ; С – const;

- Смещение            b – const;

- Нормирование   ;

- Логарифмирование ;

- и др.

4. Обработка многократных измерений

При этом возможно представление статистических характеристик: математического ожидания, среднеквадратического отклонения и др.

5. Облегчение управления приборами.

Чем выше уровень программного обеспечения, тем менее сложная передняя панель прибора. «Интеллектуальный» прибор укажет ошибочные действия оператора, подскажет правильный путь. В простейшем случае это автоматические процедуры выбора предела измерений (АВП), выбора полярности и времени усреднения, установки нуля, калибровки.

6. Миниатюризация и экономичность аппаратуры

Достигается за счет уменьшения узлов и соединения ряда функций путем обработки в МПС.

7. Повышение надежности прибора

Достигается за счет уменьшения аналоговой (как правило более ненадежной) части прибора.

8. Сокращение продолжительности разработки РИП

Достигается за счет программного расширении функций уже существующих приборов. С учетом существующих программ (библиотек) разработчику достаточно выбрать и адаптировать программу к реальной задаче.

9. Организация измерительных систем

Прибор с МПС обычно имеет интерфейс (например, КОП), позволяющий подключить его к стандартной интерфейсной шине. Можно объединить совокупность приборов и ЭВМ в единый комплекс или систему.

10. Повышение точности измерений

Достигается за счет п.п. 2, 3, 4, и 5. Обеспечивается устранение промахов, исключаются систематические погрешности или они рандомизируются, уменьшается влияние случайной погрешности и шумов.

A. Исключение системной погрешности:

- Коррекция смещения АХ прибора;

- Калибровка коэффициента передач в точке и полосе (АЧХ);

- Линеаризация характеристик детекторов;

- Компенсация влияния коэффициентов отражения и т.д.

Рассмотрим схему коррекции «О», калибровки коэффициента передачи в аналоговом тракте ЦИП и компенсации нелинейности АХ.

В процессе работы у прибора его вход периодически «заземляется» и проверяется нуль. При его отсутствии через ЦАП осуществляется установка нуля или смещение нуля запоминается в МПС, а результат перед подачей на индикатор корректируется: .

 

Рис. 8. Коррекция систематических погешностей

Для коррекции коэффициента передачи в памяти МПС хранится набор значений , которые должны быть при . Периодически МПС вырабатывает значение , наиболее близкое к измеряемому значению. При этом на входе тракта измерения ЦАП формирует эталонный сигнал . В результате работы тракта и АЦП получится результат . Вычисляется поправочный коэффициент , который хранится в памяти МПС. При входном сигнале x ® x_oi результат .

Для коррекции АХ запоминается значения a _i для разных уровней сигналов, Для коррекции АЧХ – значение a _fi учитываютсяс учетом рабочей частоты.

В. Уменьшение влияния случайной погрешности

Накопление и обработку результатов многократных испытаний (измерений) осуществляет МПС. Могут быть разные алгоритмы с оценкой достоверности, доверительного интервала; с накоплением данных для получения результата с заданной точностью. Вариант алгоритма приведен на рис. 9.

                    Рис. 9. Вариант алгоритма          

      C. Компенсация внутренних шумов  

Позволяет повысить чувствительность прибора, расширить его динамический диапазон. Вариант обработки может быть следующий. До подачи сигнала измеряется средний квадрат шумового сигнала и запоминается U²_{ш ср} при подаче сигнала считается, что шум тот же. Сумма возводиться в квадрат и усредняется.

Здесь среднее значение произведения равно нулю т.к. сигнал и шум независимы (некоррелированы). Из полученной суммы вычитается запомненный шум, извлекается квадратный корень и получается значение сигнала.

Условия применения и ограничения применения МП

При выборе между жесткой логикой и МП считается, что МП лучше, если:

- Число интегральных схем для жесткой логики ³30;

- Нужен программируемый, многофункциональный прибор;

- Предполагается наращивание функций;

- Требуется запоминать или обрабатывать данные;

- Реализуются алгоритмы косвенных или совокупных измерений;

- Велик объем измерений;

- Следует автоматизировать управление прибором;

Необходимо получать сведения о погрешностях… Условия ограничения применения МП:

1. Трудности выбора базового МП из–за недостаточных профессиональных знаний, из–за нехватки технических материалов по конкретным МП, слабой базы разработчика (нужны логические и сигнатурные анализаторы, программаторы)

2. Ограниченное быстродействие МП.

3. Сложности программного обеспечения – основное ограничение. Следует искать готовые пакеты программ.

4. Специфика испытаний, контроля диагностики и даже поверки средств измерения с МП. Т.к. здесь велика роль программных средств «обычная» метрология не всегда применима. Наиболее часто МП осуществляет самотестирование приборов, для разрабатываются внутренние диагностические программы. Применяют:

- Логический анализ (анализаторы логических состояний …)

- Сигнатурный анализ (сигнатура – 4-значное 16-ричное число которое выводится на дисплей идеальная и реальная);

- Принципы самотестирования.

           Принципы кодирования и аналого-цифрового преобразования

АЦП представляет аналоговый измерительный сигнал в виде кода. Кодирование производится по определенному правилу. В привычной для нас десятичной форме исчисления любое целое число может быть представлено в виде:

; где n – число разрядов, k_i =0, 1, 2, …9.

Пример:    902=8×10²+0×10¹+2×10⁰

В двоичной системе ; где k_i = 0, 1. Тогда число

     512 + 256  + 128 +    0 +   0 +   0 +    0 + 4 +   2 + 0

Наиболее распространена двоично-десятичная система кодирования, когда каждый десятичный разряд представляется в двоичном коде 8-4-2-1. Тогда

Коды    1001    0000     0010

                 9        0       2        

Применяются также коды, в которых каждый десятичный разряд представлен некоторой комбинацией целых положительных чисел:

2 – 4 – 2 – 1                            5 – 2 – 1 – 1

a₁ a₂ a₃ a₄                                           a₁ a₂ a₃ a₄

Любое число от 0 до 9 представляется линейной комбинацией:

; где k_i = 0,1.

Вид кодирования влияет на достоверность информации в условиях действия помех на преобразователь.

Коды Фибоначчи – основаны на кодовой избыточности и обладают высокой устойчивостью к сбоям. Обобщенными числами Фибоначчи или р – числами названы числа, полученные с помощью соотношения:

, где

;

Для p =0 , т.е. каждое последующее число равно удвоенному предыдущему. Начальное условие ; ; ; ; …, т.е. получили двоичный ряд: 1, 2, 4, 8, 16…

Для  получаем единичный (унитарный) код: 1,1,1,…1…

Для  при  имеем последовательность, в которой отношение двух следующих чисел приближается к «золотой пропорции» ().

При  очередное число , т.е. равно сумме двух предыдущих: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 …

Любое натуральное число может быть представлено в виде p – кода.

В двоичном коде каждому числу соответствует только одно двоичное слово, а для кода Фибоначчи – несколько.

Рассмотрим пример представления пятиразрядных чисел для p =1.

 

Число	Веса разрядов					Число						Число
	5	3	2	1	1		5	3	2	1	1		5	3	2	1	1
0	0	0	0	0	0	5	1	0	0	0	0	8	1	1	0	0	0
1	0	0	0	0	1	5	0	1	1	0	0	8	1	0	1	1	0
1	0	0	0	1	0	5	0	1	0	1	1	8	1	0	1	0	1
2	0	0	1	0	0	6	1	0	0	1	0	9	1	1	0	1	0
2	0	0	0	1	1	6	1	0	0	0	1	9	1	1	0	0	1
3	0	1	0	0	0	6	0	1	1	1	0	9	1	0	1	1	1
3	0	0	1	1	0	6	0	1	1	0	1	10	1	1	1	0	0
3	0	0	1	0	1	7	1	0	1	0	0	10	1	1	0	1	1
4	0	1	0	1	0	7	1	0	0	1	1	11	1	1	1	0	1
4	0	1	0	0	1	7	0	1	1	1	1	11	1	1	1	1	0
4	0	0	1	1	1							12	1	1	1	1	1

Важная особенность кода – множественность представления чисел (в примере кроме 0 и 12). Наибольший интерес имеют представления чисел по минимальной форме (наименьшее число единиц).

Избыточность придает АЦП новые качества. Представление числа в p – коде корректно, когда между соседними единицами не меньше, чем «p» нулей. К корректным относятся также комбинации, когда между соседними 1 нет нуля, но есть нуль справа. Проверка корректности кодовых комбинаций позволяет повышать помехоустойчивость, надежность и контролировать работоспособность АЦП. Когда происходит сбой, то появляются некорректные комбинации, которые анализируются и исключаются из рассмотрения. Для поразрядного кодирования могут быть дополнительные ограничения по срабатыванию ячеек сверху вниз (от старшей к младшей), т.е. каждому числу должен соответствовать один код.

 

Лекция 12: функциональные преобразователи

Цифровых приборов

Аналого-цифровые преобразователи U_N ® N

Входные аналоговые сигналы АЦП преобразуют в цифровую форму, пригодную для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел { U'(t_j) }, j=0,1,2,…, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность { U(t_j) }. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную { U'(t_j) }.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов, согласно которой период дискретизации следует выбирать из условия D t=1/2F_m, где F_m - максимальная частота спектра преобразуемого сигнала.

 

Способы аналого-цифрового преобразования U_N ® N

1. Методы последовательного счета

Методы последовательного счета осуществляют последовательное сравнение измеряемой величины с известной квантованной мерой. Например – неизвестная X=const сравнивается с величиной меры, изменяющейся ступенчатым образом.

В качестве меры можно использовать ЦАП. По сигналу «Пуск» счетчик сбрасывается в «0» и начинается счет импульсов f _сч. При этом линейно – ступенчато возрастает выходное напряжение ЦАП. При достижении U _ЦАП ® U _ВХ прекращается подсчет импульсов и код счетчика перемещается в регистр памяти.

Нелинейность ЦАП может составлять единицы процентов, что ограничивает применение метода.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению. При разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_такт равно

t_{пр.макс}=(2^N-1)/ f_такт.

Например, при N =10 и f_такт =1 МГц t_{пр.макс} =1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц. Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора.

Особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации. Достоинством является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования. Известны и другие схемы АЦП последовательного счета: времяимпульсный, двойного интегрирования (АЦП на ИС К572ПВ2 имеет погрешность ~ 0,05%).

2. Метод последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. В методе последовательного приближения происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины Х с квантованной Х_к, изменяющейся по определенному закону. Мера может регулироваться скачками от возможного максимального значения: 1, ¹/₂, ¹/₄, ¹/₈ и т.д., суммируясь с предыдущей величиной. Это позволяет для N -разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, при N =10 этот выигрыш достигает 100 раз, что позволяет получить с помощью таких АЦП 10⁵...10⁷ преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая используемым ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown) и более.

Примером является вольтметр поразрядного кодирования (уравновешивания), который рассмотрим в лекции «Цифровые вольтметры». Здесь достигается большее быстродействие и высокая точность (~ 0,001%), но низкая помехозащищенность. В режиме поразрядного кодирования работает АЦП на ИС: К1108ПВ1 и К1113ПВ1.

Быстродействие АЦП определяется суммой времени установления t_уст ЦАП, времени переключения компаратора t_к и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_з. Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП.

3. Метод считывания (параллельные АЦП)

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. В АЦП происходит одновременное сравнение измеряемой величины Х со всеми уровнями квантования Х_к1… Х_кi. Наиболее близкий уровень сверху или снизу принимается за результат. Метод называют еще «непосредственным кодированием».

Рассмотрим АЦП типа К1107ПВ1. На входе – резистивный делитель с 64 отводами. Далее стоят 64 схемы сравнения, дешифратор 64x6, на выходе которого формируется шестиразрядный двоичный код. Преобразователь позволяет менять тип кода памяти и индикации. Быстродействие при квантовании на 64 уровня 100 нс, но ИС К1107ПВ3 позволяет делать то же за 20 нс, а К1107ПВ2 использует 256 уровней за 100 нс. Сегодня есть АЦП, с быстродействием 1 нс и выше.

Некоторые интегральные микросхемы (ИМС) параллельных АЦП, например МАХ100, снабжаются сверхскоростными УВХ, имеющими время выборки порядка 0,1 нс. Другой путь состоит в использовании кода Грея, характерной особенностью которого является изменение только одной кодовой позиции при переходе от одного кодового значения к другому. Наконец, в некоторых АЦП (например, МАХ1151) для снижения вероятности сбоев при параллельном преобразовании используется двухтактный цикл, когда сначала состояния выходов компараторов фиксируются, а затем в него записывают выходное слово АЦП.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2^N-1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость и значительная потребляемая мощность.

4. Комбинированные методы.

Комбинированные методы позволяют повысить точность, разрешающую способность и быстродействие. Из комбинированных методов нашли применение интегропотенциометрический (сочетание преобразования U ® f и поразрядного кодирования), метод расширенной динамической шкалы (сочетание время – импульсного и поразрядного кодирования) и др.

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это меньшей ценой. Они занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные.

В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве на грубое преобразование сигнала в старшие разряды и точное - в младшие разряды выходного кода. Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, временнoе запаздывание, поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения (УВХ) до тех пор, пока не будет получено все число.

В многотактных АЦП процесс преобразования разделен во времени. Преобразователь состоит из К-разрядного параллельного АЦП, К-разрядного ЦАП и устройства управления. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в К старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в К² раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова. Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным.

Преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше. Однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения. Примером является трехтактный 12-разрядный AD7886 со временем преобразования 1 мкс.

Конвеерные АЦП также применяют принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. Вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова в АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка в АЦП2 простаивает АЦП1.

Конвеерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту выборок. Можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП. Например, для построения 12-разрядного АЦП из четырех 3-разрядных необходимо 28 компараторов, тогда как его реализация из двух 6-разрядных потребует 126 компараторов. Конвеерную архитектуру имеет большое количество АЦП, в частности, AD9040А, выполняющий до 40 млн. преобразований в секунду.

Параметры АЦП

При оценке метрологических характеристик АЦП используют параметры: число разрядов АЦП; время установления; время преобразования; нелинейность; дифференциальная нелинейность; амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); фазочастотная характеристика (ФЧХ).

Так как наряду с АЦП часто используются другие устройства, такие как: мультиплексоры, усилители, фильтры, УВХ, их искажения будут суммироваться с погрешностью АЦП и определять метрологические характеристики адаптера, в состав которого входит АЦП.

Идеальная характеристика преобразования (1) – прямая линия, “наиболее приближенная” к точкам характеристики преобразования.

Характеристика преобразования ХП (2) – зависимость выходного кода АЦП от входного напряжения U_ВХ.

Число разрядов АЦП, N. Двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на выходе АЦП. Если число разрядов N, тогда число 2^N даст количество комбинаций в выходном коде преобразователя, при этом их диапазон будет равно 0¸(2^N–1). Для 12-разрядного АЦП количество комбинаций составит 2¹²=4096 в диапазоне от 0 до 4095.

Рис.1. Статические параметры АЦП

Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду.

Время преобразования, t_ПРБ. Интервал времени от начала преобразования АЦП до появления на выходе устойчивого кода.

Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения.

Погрешность сдвига - смещение характеристики преобразования в точке начала координат графика.

Погрешность диапазона - погрешность преобразователя в конечной точке диапазона (отклонение в конечной точке, d_ПД).

Пороговый уровень - величина входного аналогового уровня АЦП, при котором выходной код меняется на 1.

Нелинейность - отклонение по вертикальной оси точек реальной характеристики от идеальной характеристики преобразования, делящих пополам расстояние (по оси абсцисс) между средними значениями пороговых уровней.

Дифференциальная нелинейность (d _ДИФ) - отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующих последовательной смене кодов. При монотонном увеличении сигнала на выходе АЦП может возникать код, который соответствует одному и тому же входному сигналу, в то время как сам входной сигнал изменился более одного шага квантования, который равен U_{ВХ.МАКС.}/2^N.

Число эффективных разрядов (ЧЭР), N_ЭФФ - комплексный динамический параметр. ЧЭР учитывает любые виды погрешностей. Ошибки преобразователя обусловлены дифференциальной и интегральной нелинейностями, апертурной неопределенностью и пропуском кодов. ЧЭР вычисляется по формуле: N_ЭФФ=(С/[Ш+И]–1,76)/6,02, где С/[Ш+И] оценивается по результату вычисления преобразования Фурье измеренного калибровочного гармонического сигнала.

Шумы АЦП

В идеале, повторяющиеся преобразования фиксированного постоянного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако, вследствие неизбежного шума в схемах АЦП, существует некоторый диапазон выходных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП постоянный сигнал и записать большое число преобразований, то в результате получится некоторое распределение кодов. Если подогнать Гауссовское распределение к полученной гистограмме, то стандартное отклонение будет примерно эквивалентно среднеквадратическому значению входного шума АЦП.

Методы и средства поверки АЦП:

- по образцовому более точному АЦП;

- по образцовому ЦАП (с двойным преобразованием U ® N_u ® U ^`);

- по образцовому гармоническому сигналу с определением спектра нелинейных искажений.

Преобразователи код – аналог (ПКА)

(Цифроаналоговые преобразователи – ЦАП)

ПКА (или ЦАП) является программно – управляемой мерой величины. Часто ЦАП устанавливают в обратной ветви АЦП для преобразования выходного кода в аналоговую компенсирующую величину. Уравнение преобразования ЦАП может быть записано , где N – код,  - коэффициент преобразования.

ПКА различают по роду выходной аналоговой величины:

- Напряжение (U) - Ток (I) - Угол поворота () - Сопротивление (R) - Проводимость (G) - Интервал времени (T) - Фаза () - Частота(f)

Наиболее распространены ЦАП – выходным сигналом является напряжение.  Есть много других специальных ПКА.

1. Преобразователи кода N в угол ( N ® a)

Преобразователями число – импульсного кода в a являются шаговые двигатели. Каждый импульс соответствует угловому шагу q _n. Если код a дается в виде 8 – 4 – 2 – 1 или др., тогда необходима схема с генератором тактовых импульсов.

2. Преобразователь N