Очень часто разрядность АЦП отождествляют с его точностью. Это не всегда верно. В статье объясняется, в чем состоит разница между этими параметрами.
В технической документации производители указывают характеристики АЦП по-разному, и это путает инженеров. Самые большие споры вызывают два параметра: разрешение и точность. Попробуем разобраться, чем они отличаются, как соотносятся с другими характеристиками, такими как динамический диапазон или порог шума, и как их применять.
Динамический диапазон, точность и разрешение
Динамический диапазон (ДД) есть разница между максимальным и минимальным сигналами, которые может измерить преобразователь. В качестве максимального сигнала может быть взят размах, амплитуда или среднеквадратичное напряжение полной шкалы (ПШ). Эти величины разные. Например, для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В размах составляет 2 В, а среднеквадратичное напряжение – 0,707 В. В качестве минимально различимого сигнала обычно берут среднеквадратичное напряжение шума на входе АЦП в отсутствие сигнала. Это значение зависит от полосы частот, на которой оно измеряется. При удвоении частоты шум увеличивается в 1,41 раза или на 3 дБ. Важно понимать, что ДД – величина, относящаяся к какой-либо частотной полосе. Часто ДД и отношение сигнал-шум устройства считают одной и той же величиной и измеряют в дБ:
ДД = SNR = VПШ/Vш = 20 lg (VПШ/Vш).
Иногда производители берут не среднеквадратичное напряжение ПШ, а его амплитуду или размах, чтобы «увеличить» динамический диапазон на несколько дБ.
Разрешение и точность – параметры, которые часто путают, когда речь идет о производительности АЦП. Разрешение – это количество разрядов, используемых при оцифровке входного сигнала. Например, 16-разрядный АЦП разбивает шкалу на 216 (65536) позиций выходного кода. Минимальный сигнал, который устройство может измерить, равен 1 разряду (МЗР – младший значащий разряд) или 1/65536 доле напряжения ПШ.
Точность АЦП характеризует, насколько близко фактический выходной код совпадает с теоретическим для данного входного аналогового сигнала. Другими словами, это количество разрядов выходного кода, которые несут полезную информацию о входном сигнале. Точность АЦП может оказаться намного ниже, чем разрешение, из-за внутренних и внешних источников шума.
Важно заметить, что ДД преобразователя должен соответствовать максимальной амплитуде преобразуемого сигнала, чтобы точность преобразования была наибольшей.
Рис. Несогласованный входной сигнал АЦП
No. of transitions – Количество выборок
Un-utilized transitions – Количество неиспользуемых кодов
3.3 V — 3,3 В
2.5 V — 2,5 В
Пусть входной сигнал меняется в пределах 0…2,5 В, а VREF = 3,3 В, как показано на рисунке. Как мы говорили, 16-разрядный АЦП генерирует 65536 кодовых позиций или шагов, МЗР = 3,3 /65536 = 50,35 мкВ. Для идеального АЦП все коды будут иметь одинаковую ширину, равную 1 МЗР. Максимальное входное напряжение составляет 2,5 В, это 49652 выборки. Соответственно, 15884 кода не используется, поэтому эффективная разрядность (ENOB) или потеря в точности составят 0,4 разряда.
Потеря в ENOB оказывается тем больше, чем больше разница между максимальным входным сигналом и VREF. Если максимальный входной сигнал равен, например, 1,2 В, а VREF = 3,3 В, то ENOB уменьшится на 1,5 разряда. Именно поэтому важно согласовать динамический диапазон АЦП и максимальную амплитуду сигнала. Рассмотрим несколько примеров применения этих параметров.
Резистивный датчик температуры
Обычно датчики этого вида изготавливаются из платины и имеют следующие характеристики: сопротивление при температуре 0°С = 100 Ом, изменение сопротивления на 1°С = 0,385 Ом, температурный диапазон 0…500°С. Резистивные датчики работают при малом токе порядка 1 мА. При изменении температуры на 1°С сопротивление изменится на 0,385 Ом.
Резистивные датчики температуры регистрируют изменение температуры на 0,1°С. Это значение 1 МЗР в диапазоне 0…500°С. Соответствующее изменение сопротивления составляет 192,5 Ом. Отсюда напряжение в данном диапазоне будет равно 192,5 мВ, а ДД = VПШ / МЗР = 192,5 / 38,5 = 5000. Следовательно, для рассматриваемой системы подойдет 13-разрядный АЦП.
Поскольку напряжение на термометре варьируется в диапазоне 100…292,5 мВ с очень небольшим МЗР, чтобы его различил АЦП, то следует усилить сигнал. Пусть усилитель имеет постоянный коэффициент усиления 17. Тогда входное напряжение будет лежать в пределах 1,7…4,92 В. Принимая, что напряжение ПШ = 5 В, получаем, что ENOB = 1,44 ln [VПШ / МЗР] = 1,44 ln[5 В/38,5 мкВ] ≈ 17 разрядов. Для этой задачи лучше взять хороший сигма-дельта преобразователь.
Счетчики электроэнергии
Современные счетчики электроэнергии – сложные электронные устройства, имеющие высокую точность и широкий динамический диапазон. ДД счетчика первого класса равен 2000:1, минимальный входной сигнал составляет примерно 0,5 мВ, напряжение ПШ = 1 В.
Максимальная погрешность счетчика составляет 0,1%. Соответственно, точность должна быть не хуже 500 нВ – это минимальный допустимый входной сигнал. Количество выборок 1 В/500 нВ = 2 x 106. Это соответствует эффективной разрядности 21.
Заметим, что при этом подходит не любой 21-разрядный АЦП. Необходимо, чтобы он имел очень низкий пороговый шум и различал столь малое входное напряжение. Еще более строгие требования предъявляются к току счетчика.
Точность АЦП зависит не только от производительности или другого параметра АЦП. Она определяется и внешними элементами схемы, поскольку ДД преобразователя определяется схемой устройства.