Рис 2 8 Характеристика преобразования АЦП с нелинейностью, равной ну лю, и дифференциальной нелинейностью ±0,9

/ - действигетьная ХП 2 но мина тьная АП

Так, если в 8-разрядном АЦП первая половина точек ХП будет иметь дифференциальную нелинейность +0,1 ЕМР, а вторая половина - 0,1 ЕМР, то значение нелинейности может оказаться равным 12,8 ЕМР. Приведенный пример иллюстрируется рис. 2.7. А скажем, когда один шаг квантования ХП будет равен 0,1 ЕМР, следующий за ним 1,9 ЕМР, следующий 0,1 ЕМР, то в результате в этих местах ХП дифференциальная нелинейность составит ±0,9 ЕМР, а нелинейность при совпадении центров ступенек действительной и номинальной ХП окажется равной нулю. Приведенный пример иллюстрируется рис. 2.8.

Весьма важным параметром характеристики преобразования является зона неопределенности напряжений межкодовых переходов Ширина зоны неопределенности является вероятностной величиной и устанавливается обычно по выбранным уровням вероятности включения соответственно i-\ а i компараторов Зона неопределенности напряжений межкодовых переходов характеризует нестабильность точек ХП Ширину зоны определяет коэффициент усиления компаратора, собственные шумы компонентов АЦП, а также паразитные шумы и наводки в конструкции кристалла и корпуса

Общая Статическая погрешность АЦП складывается из перечисленных выше параметров Необходимо учитывать, что эти параметры зависят как от температуры окружающей среды, так и от изменения напряжений источников пИания от номинального значения Поэтому для полной оценки АЦП приводятся зависимости точностных параметров от температуры и изменений напряжений питания

2.5. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АЦП

Быстродействие АЦП характеризуется рядом динамических параметров. К основным динамическим параметрам быстродействующих АЦП относятся; время преобразования; частота преобразования; апертурное время; апертурная неопределенность (апертурная «дрожь»); монотонность характеристики преобразования при максимально допустимой скорости изменения входного сигнала; соотношение сигнал-шум

Структура построения АЦП, особенности его работы, характер входных сигналов требуют индивидуального подхода к оценке быстродействия и выбору динамических параметров при конкретной реализации АЦП.

в общем случае основным динамическим параметром АЦП является время или максимальная частота преобразования. Однако эти параметры не полностью определяют динамические характеристики, в частности АЦП, работающих с входным сигналом произвольной формы без устройства выборки-хранения (УВХ). В зависимости от характера воздействующего сигнала можно выделить два режима работы АЦП [18, 19]: входной сигнал изменяется скачкообразно до постоянного значения, не изменяющегося в течение времени преобразования, входной сигнал изменяется непрерывно в течение всего времени преобразования. Первый характеризует режим работы АЦП с УВХ на входе, второй - без УВХ.

Время преобразования tc - время от момента начала изменения сигнала на входе АЦП (аналогового или цифрового) до появления на выходе соответствующего устойчивого кода.

В первом режиме после окончания переходных процессов во входных цепях АЦП динамическая погрешность будет снижена и динамические параметры однозначно определятся временем преобразования: tc = t,-j-tK, где ts - время задержки запуска, /к-время цикла кодирования В этом случае время преобразования отсчиты-вается с момента изменения аналогового сигнала

Время задержки запуска ts - минимальное время с момента подачи скачкообразного сигнала на аналоговый вход АЦП до момента подачи сигнала запуска АЦП, при котором выходной код отличается от номинального не более чем на значение статической погрешности. Время обусловливается переходными процессами во входных цепях АЦП до триггера защелки компаратора (в стробируемых компараторах).

Время цикла кодирования - время, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала. Время определяется задержкой сигналов в составных блоках АЦП.

Время преобразования для преобразователей, имеющих команду внешнего запуска (начала преобразования), равно минимальному времени между импульсом запуска и моментом появления на выходе АЦП заданного значения кода (для рассматриваемых в настоящей книге АЦП время преобразования соответствует данному определению) .

Максимальная частота преобразования - частота дискретизации входного сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Выбранным параметром может быть монотонность ХП как критерий функционирования или нелинейность. Максимальная частота преобразования ограничивается задержками в компараторах, шифраторе и выходных каскадах.

Во втором режиме, когда входной сигнал изменяется в течение времени преобразования, динамические параметры АЦП наряду с временем преобразоваия характеризуются апертурным временем, апертурной неопределенностью (апертурной «дрожью»), монотон-

ностью характеристики преобразования при максимально допустимой скорости изменения входного сигнала, соотношением сигнал-шум. Строго говоря, под апертурным временем понимается время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому оно относится. Оно зависит в основном от времени разрешения триггера-заш,елки компаратора, которое, в свою очередь, определяет минимальное время, в течение которого входной сигнал должен превышать некоторый пороговый уровень, необходимый для обеспечения срабатывания триггера-защелки Таким образом, для исключения влияния апертурного времени на точностные параметры АЦП изменение сигнала на аналоговом входе должно быть гораздо меньше значения 1 ЕМР за время, равное апертурному. Физически это связано с инерционностью токовых переключателей и триггера-защелки в компараторах

Однако реальные АЦП характеризуются дополнительными задержками распространения сигнала в корпусе и на кристалле (например, в формирователях тактового сигнала), что дает дополнительную постоянную задержку между тактовым сигналом на входе микросхемы и моментом, когда компаратор начинает переводиться в режим стробирования. Поэтому для АЦП, рассматриваемых в настоящей книге, апертурное время приводится как суммарная величина этих двух составляющих. Апертурное время определяется во всех точках ХП. Оно может иметь различное значение в различных точках ХП. Причиной этого является разброс параметров отдельных узлов и компонентов, режимов каскадов, паразитных емкостей, значений резисторов, а также различных длин сигнальных шин входного и тактового сигналов.

Апертурная неопределенность - случайное изменение апертурного времени, наиболее часто определяемое в конкретной точке ХП Апертурная неопределенность возникает из-за случайных изменений времени задержки, как в цепях синхронизации АЦП, так и во входных цепях компаратора и триггера-защелки. Влияние апертурной неопределенности заключается в появлении различных кодовых комбинаций при кодировании быстроизменяющегося сигнала одной величины. Закон распределения появляющихся кодов близок к нормальному, причем наибольшая частота появления приходится на код, соответствующий выбранной величине сигнала. С увеличением скорости нарастания входного сигнала дисперсия закона распределения увеличивается. Закон распределения, приведенный на рис. 2.9, поясняет апертурную неопределенность в конкретной точке ХП, где (О - нормализованная частота появления кодов.

Проведем связь между апертурной неопределенностью, максимальной частотой входного сигнала и допустимой возникающей динамической погрешностью. Будем считать, что в любой точке ХП закон распределения близок к нормальному При этом за апертурную неопределенность примем среднеквадратическое отклонение ст. С достаточной достоверностью можно считать, что макси-