Статические параметры АЦП

АЦП характеризуется числом разрядов формируемого цифрового кода – округленным до целого числа значением N = log₂ n, где n – число значений выходного кода. Для правильно работающего параллельного АЦП число значений выходного кода равно числу компараторов АЦП (2 ^N –1) плюс код 000…0.

Зависимость между значениями входного аналогового напряжения и выходного кода называется характеристикой преобразования АЦП. Как и для ЦАП, ХП может быть определена в виде графика, формулы или таблицы.

На рисунке 1.11 показана ХП однополярного АЦП, для которого опорное напряжение U_{REF 1} равно нулю. Разность значений напряжений заданного и следующего за ним межкодового переходов определяет шаг квантования ХП АЦП и разность входных напряжений АЦП, в которой значение кода на выходе сохраняется. Для того чтобы прямая, проведенная через точки, соответствующие опорным напряжениям U _оп1 и U _оп2, прошла через центры всех ступеней ХП идеального АЦП, напряжение первого межкодового перехода U ₁ должно отстоять от напряжения U _оп1 на величину, равную половине шага квантования ХП. Аналогично напряжение последнего межкодового перехода U_{i +1} должно отличаться от опорного напряжения U _оп2 также на половину шага квантования ХП. Для идеального АЦП ширина ступеньки равна шагу квантования

h = (U _оп2– U _оп1)/(2 ^N –1).

Рисунок 1.11 – Характеристика преобразования идеального АЦП

Реальная ХП АЦП может значительно отличаться от идеальной (рисунок 1.12). Эти отличия заключаются в неидентичности шагов квантования, в расположении ХП относительно осей координат, в отклонении ХП от прямой, в неидеальности профиля межкодового перехода. Несоответствие номинальной (идеальной для конкретной реализации АЦП) и действительной характеристик преобразования и определяет точностные параметры АЦП: напряжение смещения нуля; отклонение коэффициента преобразования от номинального значения; нелинейность (интегральную нелинейность); дифференциальную нелинейность; зону неопределенности напряжений межкодовых переходов; монотонность ХП.

Действительное значение входного напряжения в точке ХП, соответствующей номинальному нулевому значению этого напряжения, определяет напряжение смещения нуля. Физически это напряжение показывает параллельный сдвиг ХП вдоль оси абсцисс. Возникновение этой составляющей погрешности обусловлено отклонением сопротивления первого резистора делителя опорных напряжений, включенного между выводом опорного напряжения ИС и входом компаратора, формирующего код 000...01, от номинального значения, а также наличием напряжения смещения нуля этого и следующего за ним компараторов и погрешностью второго резистора.

Рисунок 1.12 а – ХП АЦП с большой нелинейностью и малой дифференциальной нелинейностью	Рисунок 1.12 б – ХП АЦП с малой нелинейностью и большой дифференциальной нелинейностью

Нелинейность АЦП – это отклонение действительного значения входного напряжения, соответствующего заданной точке ХП, от значения, определяемого по линеаризованной ХП в той же точке. Этот параметр характеризует отклонение центров ступенек действительной ХП от прямой линии, аппроксимирующей номинальную ХП.

Существует большое число методик измерения нелинейности, однако наиболее часто используют две из них, отличающиеся способом проведения прямой, аппроксимирующей номинальную ХП: 1) нелинейность измеряется по отношению к прямой, проведенной через середины ступенек, соответствующих кодам 000...01 и 111...10 действительной ХП; 2) нелинейность измеряется по отношению к некоторой прямой, проведенной оптимальным образом (по методу наименьших квадратов) относительно действительной ХП.

Физически природа возникновения нелинейности параллельных АЦП обусловлена случайными и систематическими факторами. К случайным факторам относятся разброс напряжений смещения нуля компараторов и относительная погрешность резисторов делителя опорных напряжений. Управлять этими факторами очень трудно, так как они определяются существующим уровнем технологии. К систематическим факторам относится влияние входных токов компараторов на опорные напряжения делителя.

Дифференциальная нелинейность АЦП – отклонение действительных значений шагов квантования ХП от их среднего значения. Дифференциальную нелинейность параллельных АЦП, как и нелинейность, определяют те же факторы.

Под монотонностью характеристики преобразования АЦП понимается наличие всех кодовых комбинаций на его выходе при подаче на его вход изменяющегося сигнала, при этом знак наклона монотонной ХП изменяться не должен.