Микропроцессорная техника. Имеется несколько источников погрешности ацп
 Скачать 39.02 Kb.
|
|
Т2 АЦП и ЦАП Вопрос 1 Если частота дискретизации по крайней мере в 2 раза превышает ширину полосы частот исходного аналогового сигнала, то дискретизация сопровождается необратимыми искажениями. Дело в том, что в результате дискретизации в частотном спектре сигнала появляются дополнительные компоненты, располагающиеся вокруг гармоник частоты дискретизации в диапазоне, равном удвоенной ширине спектра исходного аналогового сигнала. Если максимальная частота в частотном спектре аналогового сигнала превышает половину частоты дискретизации, то дополнительные компоненты попадают в полосу частот исходного аналогового сигнала. В этом случае уже нельзя восстановить исходный сигнал без искажений. Также существует погрешность аналого-цифрового преобразования, обусловленная шумом квантования, при увеличении разрядности выходного кода может быть уменьшена до сколь угодно малой величины. Но в отличие от погрешности дискретизации по времени она принципиально присуща данному алгоритму и не может быть сведена к нулю выбором параметров устройства. Рассмотренные погрешности обусловлены самим алгоритмом аналого-цифрового преобразования. Кроме них в реальных АЦП возникают погрешности, связанные с неидеальностью используемой элементной базы, т. е. инструментальные погрешности. Вопрос 2 Имеется несколько источников погрешности АЦП: Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранён ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от нуля до половины МЗР. Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путём калибровки Апертурная погрешность. Ошибка относительно невелика на низких частотах, однако на больших частотах она может существенно возрасти. Эффект апертурной погрешности может быть проигнорирован, если её величина сравнительно невелика по сравнению с ошибкой квантования. Допустимые потери информации - потери информации, которые можно восстановить, т. к. они не перешли допустимую точку восстановления. Допустимое время восстановления определяется количеством времени неработоспособности сервиса в случае прерывания операций. Оно показывает раннюю точку времени, после которой операции могут быть продолжены. Вопрос 3 Апертурным временем называется время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Эффект апертурной неопределенности проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении сигнала. При равномерной дискретизации следствием апертурной неопределенности является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени. Устройство выборки-хранения может применяться для уменьшения апертурного эффекта АЦП. За счет этого выравнивается амплитудно-частотная характеристика тракта преобразования сигнала. Для уменьшения апертурных погрешностей, АЦП должны работать с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, что не всегда возможно, учитывая требования, предъявляемые к ним по обработке быстропроизменяющихся сигналов. Кроме того, в ходе преобразования быстропротекающих процессов наблюдается изменение уровня напряжения входного сигнала, что неизбежно приводит к непрерывной смене кодов на выходе компараторов АЦП, а значит к вынужденному увеличению времени формирования кода на выходе АЦП. Вопрос 4 Реальные сигналы всегда ограничены во времени, следовательно, их амплитудный спектр теоретически неограничен. Однако реальные сигналы генерируются и передаются устройствами, содержащими инерционные элементы (например, емкости и индуктивности в электрических цепях и прочих преобразователях). Поэтому они не могут содержать гармонических составляющих сколь угодно высоких частот. В связи с этим возникает необходимость ввести в рассмотрение модели сигналов, обладающих как конечной длительностью, так и ограниченным спектром. При этом в соответствии с каким-либо критерием дополнительно ограничивается либо ширина спектра, либо длительность сигнала, либо оба параметра одновременно. Чаще всего в качестве такого критерия используется энергетический критерий, согласно которому практическую ширину амплитудного спектра Dwпр выбирают так, чтобы в нем была сосредоточена подавляющая часть энергии сигнала. Для этого используют равенство Парсеваля, позволяющее определить энергию сигнала Eс либо через функцию u(t) , описывающую реальный сигнал длительностью Tп , либо через модуль ее спектральной плотности S(w) :  Практическая ширина спектра сигнала, сосредоточенная в диапазоне частот от 0 до некоторого значения wгр , определяется из соотношения:  Здесь wгр – граничная частота, определяющая верхнее значение спектра сигнала; h – коэффициент, достаточно близкий к 1 (на практике его значение выбирают в интервале от 0.9 до 0,998 в зависимости от требований к качеству воспроизведения сигнала). Значение h = 0,99 означает, что в полосе частот от 0 до wпр содержится 99 % энергии сигнала. Значение граничной частоты находят, решая уравнение. Вопрос 5 КРИТЕРИИ ДИСКРЕТИЗАЦИИ ПО КОТЕЛЬНИКОВУ Частота дискретизации fд сигнала с шириной полосы fв должна удовлетворять условию fд > 2fв, в противном случае информация о сигнале будет потеряна Нарушение этого условия приводит к наложению спектра Эффект наложения спектров возникает, когда fд < 2fв период повторения спектральных составляющих оказывается меньше ширины анализируемого спектра и происходит наложение спектров Для уменьшения этих искажений необходимо либо увеличивать частоту дискретизации, либо использовать перед АЦП дополнительный фильтр нижних частот Вопрос 6 Диапазон изменения входных значений кода (динамический диапазон) – это допустимый предел изменения входного кода – от Nmin до Nmaх. При Nmin=0 этот диапазон определяется как Nmaх=2n. Диапазоном выходной величины называют интервал значений выходной аналоговой величины от начальной xmin до конечной xmax точки ХП. Значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении значения входного кода на единицу называют шагом квантования. В случае двоичного линейного ЦАП для идеальной характеристики все ступени равны: Связь с точностью преобразования Для сохранения точности преобразования на уровне единицы младшего разряда необходимо чтобы за время преобразования изменение значения сигнала на входе АЦП составило бы не более величины единицы младшего разряда  Вопрос 7 Особенностью всех структур ЦАП реализованных на резистивных матрицах является то, что выходной ток для каждой из них пропорционален одновременно не только величине входного кода, но и величине опорного напряжения. Часто говорят, что он пропорционален произведению этих двух величин. Поэтому такие ЦАП называют умножающими. Если ЦАП является умножающим, необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения Вопрос 8 Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Такие ЦАП обладают более высокой точностью. Вопрос 9 Аналого-цифровые преобразователи делятся на: параллельные, последовательные, интегрирующие, последовательно-параллельные. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные. Последовательные АЦП подразделяют на АЦП последовательного счета и АЦП последовательного приближения. Интегрирующие АЦП подразделяют на АЦП многотактного интегрирования и Сигма-дельта АЦП. Различают две группы АЦП многотактного интегрирования: схемы с параллельным или последовательным выходом для сопряжения с микропроцессорами и схемы с двоично-десятичными счетчиками и дешифраторами для управления семисегментными индикаторами. Вопрос 10 Для подавления сетевых помех с значениями частоты, кратными 50 Гц, тактовую частоту следует выбирать такой, чтобы во время интегрирования, укладывалось целое число Nс периодов сетевого напряжения (длительность сетевого периода равна 20 мс). Тактовая частота (рекомендуемая) для преобразования 50 кГц, время преобразования 0,32 мс (16000 тактов). Тактовая частота 50 кГц обеспечивает полное целое число раз для помехи 50 Гц и, таким образом, помеха будет полностью интегрирована. |