Синхронизация

Для управления работой ЦАП и АЦП предусматриваются выводы синхронизации. У ЦАП это вход строб-импульса, управляющего записью кода в регистры. У АЦП это вход старт-импульса, запускающего начало преобразования. АЦП, кроме этого, обычно имеют выход сигнала состояния: готовности или занятости (busy), сигнализирующего о выполнении или окончании цикла преобразования и готовности к выдаче результата.

Питание

Для улучшения шумовых характеристик у ЦАП и АЦП разделяют питание аналоговой и цифровой частей, для чего микросхемы имеют отдельные выводы питания и общего. Необходимо отметить необходимость строгого следования рекомендациям Data Sheet по выполнению линий питания и установке фильтрующих конденсаторов.

У микросхем ЦАП и АЦП наблюдается тенденция к уменьшению числа напряжений питания и их уровня. Ушли в прошлое микросхемы с тремя напряжениями питания (+12В, -12В и +5В), современные преобразователи, как правило, питаются от одного источника с пониженным напряжением от 2,7 до 5,5 В, а иногда и от 1,8 В.

1.2 Основные характеристики точности и производительности [Д3]

Использование 12-разрядных АЦП совсем не означает, что проектируемая система будет иметь 12-разрядную точность. Точность АЦП определяется рядом его характеристик, в том числе интегральной и дифференциальной нелинейностью, смещением нуля и погрешностью наклона характеристики преобразования, точностью источника опорного напряжения, температурными эффектами и характеристиками по переменному току.

Точность АЦП по постоянному току обычно выше, чем по переменному и лучше описывается его характеристиками – для определения качества работы АЦП на переменном токе используется масса нестандартных характеристик, определяемых нестандартными методами.

Системные требования

Существует два наиболее популярных метода определения общей погрешности системы: среднеквадратический и наихудшего случая. Среднеквадратическая оценка определяется как корень квадратный от суммы квадратов всех составляющих ошибки. Этот метод применим при некоррелированности отдельных составляющих погрешности.

В методе наихудшего случая общая погрешность определяется суммированием всех составляющих ошибки. Эта оценка гарантирует, что погрешность никогда не будет больше. Действительная погрешность всегда меньше этой оценки (иногда много меньше). Она находится между этими оценками, но часто ближе к среднеквадратической оценке. При вычислении оценок могут использоваться типовые или максимальные значения составляющих – это зависит от бюджета погрешности, стандартного отклонения измеряемой величины, соотношения между отдельными составляющими и т.д. Нет универсального правила для выбора подхода.

Предположим, что требуется произвести преобразование с 10-разрядной точностью и общая погрешность не должна превысить 0,1%, а значит, для решения задачи требуется АЦП с более высокой разрядностью. Но без анализа его характеристик нельзя быть уверенным в обеспечении заданной точности, даже если выбран 12- или более высокоразрядный преобразователь. Например, интегральная нелинейность величиной 4 LSB снижает точность 12-разрядного АЦП до точности 10-разрядного, это в лучшем случае, т.е. при равенстве нулю других составляющих (в частности при калибровке и компенсации смещения нуля и погрешности наклона). В то же время АЦП с интегральной нелинейностью 0,5 LSB может после калибровки и компенсации смещения нуля и погрешности наклона дать точность 0,0122%. Чтобы определить потенциальную точность АЦП, надо разделить интегральную нелинейность на 2^N, где N – число бит. В нашем примере, если допустить 0,075% погрешности для АЦП, то остается только 0,025% на остальную схемотехнику, включая погрешность датчика, предварительного операционного усилителя, мультиплексора, и погрешности от сигналов других аналоговых устройств.

При этом расчете предполагалось, что бюджет погрешности определяется суммой составляющих погрешности всех схемных компонентов, включенных в сигнальном тракте. Другие предположения: измерения проводились на медленно меняющемся биполярном входном сигнале с полосой 1 кГц и в гарантированном диапазоне температур.

Характеристики АЦП на постоянном токе

Дифференциальная нелинейность (DNL)

Хотя и не упомянутая среди ключевых параметров АЦП, дифференциальная погрешность является первой из характеристик, по которым производится их выбор. Дифференциальная нелинейность характеризует, насколько далеки друг от друга могут быть два соседних кода. Она измеряется по изменению входного напряжения, выраженному в LSB (Рис.1.1а-d). Необходимо отметить, что INL является интегралом от DNL, поэтому она и не включена в перечень ключевых параметров АЦП. Признаком хорошего качества для АЦП является объявление отсутствия пропуска кодов (no missing codes). Это означает, что при изменении входного напряжения в пределах полного диапазона, на выходе АЦП появятся все возможные кодовые комбинации. Значение DNL<1 LSB гарантирует отсутствие пропуска кодов (Рис.1.1а). На рисунках 1.1b, 1.1c, 1.1d показаны варианты с тремя значениями DNL. С DNL=-0,5 LSB (Рис. 1.1b) у АЦП гарантированно нет пропуска кодов. При DNL=-1 LSB (Рис. 1.1с) такой гарантии уже нет (заметим, что код 10 пропущен). Однако, учитывая, что допуски при производственных тестах уже параметров спецификации, указание в спецификации DNL=1 LSB, гарантирует, что АЦП не имеет пропуска кодов. При DNL>-1 LSB (на рис. 1.1d DNL=-1,5 LSB) АЦП имеет пропуск кодов.

Рис.1.1а

Рис.1.1b

Рис.1.1c

Рис.1.1d

Пропуск кодов не всегда отрицательное явление. Если для системы необходимо только 13 разрядов разрешения и можно выбирать между 16-разрядным АЦП с DNL= 4 LSB, который реально имеет 14 разрядов без пропуска кодов и стоит 5$, и 16-разрядным АЦП с DNL= 1 LSB, который стоит 15$, выбор первого предпочтителен, поскольку позволяет снизить стоимость изделия и удовлетворить системные требования.

Интегральная нелинейность (INL)

Поскольку INL является интегралом от DNL, хорошая INL гарантирует хорошую DNL. INL характеризует насколько далека реальная характеристика преобразования АЦП от идеальной. Так, если в 12-разрядной системе INL = 2 LSB, это означает максимальную нелинейность 2/4096 или 0,05%. В отличие от смещения и погрешности наклона нет простых способов коррекции DNL и INL.