Аналого-цифровые преобразователи

АЦП служит для измерения напряжения, т. е. преобразования аналоговой информации в цифру. Амплитудам в диапазоне Vn + V ставится в соответствие число n. Одной из характеристик АЦП является его разрядность, т. е. количество дискретных значений напряжения, на которые может делиться весь рабочий диапазон входных (анализируемых) напряжений. Когда АЦП используется для амплитудного анализа, число, получаемое на выходе АЦП используется для адресации памяти и называется номером канала, а V — шириной канала. Номер канала несет информацию об амплитудном значении сигнала. Амплитуда в свою очередь связана с измеряемой физической величиной (энергией, временем и т. п.). Максимальное количество каналов связано с разрядностью АЦП. АЦП нередко служат интерфейсом между измерительной аппаратурой и компьютером. (Многоканальные анализаторы, в состав которых входят АЦП, по сути, специализированные ЭВМ.)

Современные АЦП обычно имеют до 14 двоичных разрядов (16 384 каналов). В зависимости от требований эксперимента измерения могут производиться при разных диапазонах конверсии (512, 1024 и т. д.) вплоть до максимального, определяемого разрядностью АЦП.

Важными характеристиками АЦП, используемых для спектроскопии, являются интегральная и дифференциальная нелинейности.

Интегральная нелинейность Iint характеризует отклонение реальной функции преобразования (штрихпунктир) от идеальной линейной (сплошная линия) (см. рис. 1). Интегральная нелинейность Iint определяется следующим образом:

Iint% = 100(Vnom — Vact)/Vmax, где

(Vnom — Vact) — максимальное отклонение от линейности.

Дифференциальная нелинейность Idif характеризует неоднородность ширин каналов АЦП и определяется следующим образом:

Idif% = 50(Wmax — Wmin)/Wavg, где

Wmax, Wmin и Wavg — максимальная, минимальная и средняя ширины каналов.

У качественных АЦП дифференциальная нелинейность ~1%, а интегральная <0.05% при 12-разрядном (4096 каналов) преобразовании.

К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько основных разновидностей АЦП:

— АЦП двойного интегрирования;

— АЦП последовательного действия;

— АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближения);

— АЦП параллельного действия.

Основными параметрами преобразователей являются: динамический диапазон входных сигналов, передаточная характеристика преобразования, число уровней квантования, цена младшего значащего разряда (МЗР) преобразования (ширина канала), быстродействие, погрешности преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейности преобразования).

АЦП параллельного действия

Из всех видов АЦП наиболее простыми по принципу действия, но и наиболее сложными по конструктивной и технологической выполнимости являются АЦП параллельного действия.

На рисунке 2 представлена структурная схема АЦП параллельного действия, который содержит: источник опорного напряжения (Uоп), делитель опорного напряжения (R1-Rn), n компараторов (K1-Kn) равное числу уровней квантования, шифратор унитарного кода в двоичный код (D1). Каждый компаратор имеет входной дифференциальный каскад с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим. АЦП параллельного действия работает следующим образом. Делитель напряжений задает ряд опорных напряжений на всех, например,