Совместимость с системой
Перечень характеристик, даваемый фирмами изготовителями, является лишь отправной точкой при выборе подходящего АЦП или ЦАП. Некоторые системные требования, оказывающие влияние на выбор преобразователя, очевидны. К ним относятся применяемый цифровой код, диапазон входного или выходного напряжения, логические уровни на входе или выходе преобразователя, номинальные значения логического «О» и логической «1» (с допусками по напряжению), длительности импульсов, времена нарастания и спада, значения токов возбуждения на выходах, а также входное полное сопротивление для АЦП или выходное полное сопротивление и выходной ток для ЦАП. Кроме этого, разработчик обязан обращать внимание на имеющиеся в распоряжении уровни напряжений источников питания, нестабильность источников (включая пульсацию и шум), допустимую мощность потребления и физические размеры и форму преобразователя.
Преобразователь должен быть работоспособным в присутствии помех источников питания и другого шума в системе; это может потребовать защиты, разделения заземлений и других мер, направленных на увеличение помехозащищенности. Шум в аналоговых цепях может легко привести к потере одного или более разрядов информации цифровых устройств, особенно в быстродействующих и высокой точности преобразователях. Обеспечение помехозащищенности является одним из наиболее трудных вопросов, не поддающихся конкретизации, так как шум может быть обусловлен очень многими источниками. Наряду с шумом в аналоговом контуре на погрешности могут влиять помехи источников питания, которые включают в себя переходные процессы в проводах и наводки из силовой и коммутирующей аппаратуры, расположенной по соседству с преобразователем. Фирма изготовитель преобразователей обязана уменьшать восприимчивость к помехам до уровня, совместимого с требуемой разрешающей способностью в реальных условиях эксплуатации. Это легко доступные для обозрения факторы применения.
Однако некоторые факторы, связанные с применением в системах, могут не быть так очевидны. Например, в зависимости от природы и источника входного сигнала может быть весьма важно разделить «земли» входного и выходного сигналов или, по крайней мере, сделать отдельными выводы аналоговой и цифровой «земли» для того, чтобы цифровые токи не интерферировали с аналоговыми сигналами. Однако прежде необходимо убедиться в том, что такое взаимное влияние отсутствует внутри самого модуля преобразователя.
Если источник входного сигнала подключен к другой «земле» или имеет переменный потенциал относительно общего провода, то может быть необходимо оговаривать дифференциальный входной сигнал и требуемую степень подавления синфазного сигнала. При больших разностях потенциалов может потребоваться гальваническая развязка между входом и выходом с помощью трансформаторной или оптической связи.
Стабильность относится к способности преобразователя сохранять параметры, в пределах, оговоренных перечнем характеристик, в условиях эксплуатации, отличающихся от условий измерений, и по истечении периода времени. Поскольку параметры электрических элементов, таких, как резисторы, конденсаторы и полупроводниковые приборы, изменяются с изменением температуры, влажности, при вибрациях и во времени, а также и с определенными изменениями окружающей среды, соответственно будет изменяться и режим работы аналоговых частей АЦП и ЦАП. Сведение к минимуму нестабильности, или дрейфа, предполагает применение высококачественных элементов и проектирование схем, нечувствительных к изменениям параметров элементов. Если погрешность должна быть меньше 0,1 или 0,2%, то имеет смысл пересмотреть типы элементов, применяемых в преобразователе, в особенности это касается многозвенных цепочек резисторов. Там, где требуется высокая точность (больше 12 разрядов), доминирующим фактором проектирования становится контроль элементов, включающий их отбор и электротренировку.
Выбирая оптимальный для конкретного применения преобразователь, убедитесь, что учтены воздействия времени и температуры, влажности, вибрации и колебаний источников питания, которые могут иметь место. Может оказаться, что преобразователь, указанный в таблице данных как 10-разрядный, в действительности из-за условий эксплуатации и фактора времени является 7- или 8-разрядным преобразователем. В некоторых случаях 15-разрядный преобразователь вследствие изменений лишь во времени является на самом деле не лучше 13-разрядного.
Так как характеристики любого преобразователя будут в определенной степени дрейфовать, чрезвычайно важно иметь средства для корректировки его точности до требуемой. Отдельные фирмы-изготовители поставляют преобразователи, которые не могут корректироваться или должны корректироваться с помощью внешних потенциометров. Если такие потенциометры необходимы, то следует учитывать, что их характеристики, такие, как температурная стабильность и старение, могут влиять на точность передачи преобразователя.
Часто для снижения стоимости требования к долговременной стабильности могут быть ослаблены, если допустить периодическую подстройку преобразователя. Характерно, что с помощью подстроенных потенциометров периодическая установка нуля выходного сигнала и масштабного коэффициента может быть выполнена за несколько минут, а в преобразователе могут быть легко доступные контрольные точки, что позволяет еще заметнее упростить дальнейшую эксплуатацию.
Возможно, что наименее понятные факторы, которые следует учитывать при эксплуатации преобразователя, связаны с его восприимчивостью к окружающей среде. Поведение преобразователя на лабораторном стенде или в экранированной комнате совсем иное, чем на фактическом месте в аппаратуре. Мир полон импульсных радиолокаторов, радио- и телевизионных станций и электромагнитных и электростатических полей. За исключением случаев, когда окружающие условия полностью известны для того, чтобы их можно было точно учесть, целесообразно преобразователи (особенно быстродействующие) заключать в электромагнитные и электростатические экранирующие корпуса. Не требуется очень сильной помехи, чтобы воздействовать на работу компаратора или чтобы вызвать уход нулевой точки на выходе усилителя далеко за пределы номинальной точности большинства преобразователей. Любой, кто пытался поместить 12-разрядный быстродействующий АЦП рядом с устройством памяти на магнитных сердечниках, ясно поймет, о чем идет речь.