Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.

Обзор аналого-цифровых преобразователей.

Гайнулин К.Х.

 (МГОУ)

 

Введение.

            Надежность радиоэлектронной аппаратуры во многом определяются точностью измерения электрических характеристик, которые в свою очередь отображают реальные процессы. Измерения этих величин по большей части осуществляется в цифровом виде, это позволяет применять современные, сложные методы обработки данных для повышения достоверности результатов. Одним из первых элементов получения этих данных является АЦП, поскольку аналого-цифровые преобразователи (АЦП) переводят аналоговые величины, которые являются характеристиками большинства явлений “реального мира”, в цифровой язык, используемый при разработке информации, вычислениях, процессе передачи данных и системах управления.

            Аналоговые входные переменные при любом их происхождении обычно преобразуются с помощи преобразователей в напряжение или ток.

Они могут быть широкополосным и узкополосным. Они могут поступать напрямую от измеряющих датчиков или быть подвергнуты определенного рода предварительной аналоговой обработке (линеаризация, комбинирование, демодуляция, фильтрация, усилению и т. п.).

Выходные данные представляют собой группы уровней, имеющих цифровые значения. Уровни могут возникать одновременно параллельно, на шине выходах, последовательно (во времени) на одной линии или в качестве последовательности параллельных байтов или полубайтов. Например, 16-разрядное слово может занимать 16 битов или 16-разрядную шину или может быть разбито на два последовательных байта для 8-разрядной шины или четыре 4-разрядных полубайта для 4-разрядной шины [1].

Существует несколько основных типов архитектуры АЦП, хотя в пределах каждого типа существует также множество вариаций. Различные типы измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения. Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами. Существуют также параллельные АЦП для устройств, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением [2].

На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.

Рис. 1. Типы АЦП – разрешение в зависимости от частоты дискретизации.

КЛАССИФИКАЦИЯ АЦП

 

Рис. 2. Классификация АЦП

 

Все многообразие АЦП можно разделить на группы, объединенные общими технологией, схемотехникой и методом преобразования, близкими точностными, динамическими или эксплуатационными параметрами, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы [3]. Классификация АЦП по методу преобразования приведена на рис. 2.

 

Параллельные АЦП (Flash АЦП) являются самым быстрым типом АЦП, использующим большое количество компараторов, работающих параллельно, по этой причине АЦП называют параллельный. N-разрядный параллельный АЦП состоит из 2N резисторов и 2N–1 компараторов, размещенных, как это показано на рис. 3. На каждый компаратор подается опорное напряжение, значение которого для соседних точек отличается на величину, соответствующую одному младшему значащему разряду (LSB) (более старшие разряды в верхних по схеме элементах). При фиксированном входном напряжении все компараторы, размещенные на схеме ниже некоторой точки, имеют входное напряжение выше опорного напряжения. На их логическом выходе присутствует "1". У всех же компараторов выше этой точки опорное напряжение больше входного, и их логический выход установлен в "0".

Рис. 3 Параллельный АЦП

Входной сигнал подается на все компараторы сразу, поэтому имеет задержку по отношению к входному сигналу, равную задержке только одного компаратора и N-разрядного кодера. Это соответствует задержке нескольких логических элементов, так что процесс преобразования осуществляется очень быстро. Но такая архитектура предполагает использование большого числа резисторов и компараторов, имеет ограничение по максимальной разрешающей способности и, чтобы обеспечить высокое быстродействие, каждый компаратор должен иметь довольно высокий уровень потребления энергии. На практике реализуются преобразователи до 10-разрядов, но обычно параллельные АЦП имеют разрешающую способность, соответствующую 8-разрядам. Их максимальная частота дискретизации может достигать 1 ГГц [4].

АЦП последовательного приближения

Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Последовательное АЦП работает по принципу последовательному приближению значению сигнала.  Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х103) до 1М отсчетов/сек.

Рис. 4 показывает упрощенную блок-схему АЦП последовательного приближения. В основе АЦП данного типа лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования все выходы этого регистра устанавливаются в логический 0, за исключением первого (старшего) разряда. Это формирует на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП. А выход компаратора переключается в состояние, определяющее разницу между сигналом на выходе ЦАП и измеряемым входным напряжением.

Рис. 4. АЦП с последовательным приближением

Теоретически, напряжение на выходе ЦАП для каждого из N внутренних тактов преобразования должно устанавливаться за одинаковый промежуток времени. Но на самом деле этот промежуток в первых тактах значительно больше, чем в последних. Поэтому время преобразования 16-разрядного АЦП последовательного приближения более, чем в два раза превышает время преобразования 8-разрядного АЦП данного типа [2].

Sigma-delta АЦП известны почти тридцать лет [1], но только недавно появилась технология (цифровые микросхемы с очень высокой степенью интеграции, для их производства в виде недорогих однокристальных интегральных схем. В настоящее время они используются во многих устройствах, где требуется недорогой, узкополосный, экономичный АЦП с высоким разрешением.

SIGMA-DELTA АЦП ПЕРВОГО ПОРЯДКА

Рис. 5.  Дельта-сигма АЦП первого порядка

Работу Σ∆ АЦП можно описать следующим образом. Представим, что постоянное напряжение подается на вход VIN. Сигнал на выходе интегратора при этом постоянно нарастает или убывает. С выхода компаратора сигнал подается обратно через одноразрядный ЦАП на суммирующий вход. Благодаря отрицательной обратной связи, соединяющей выход компаратора через одноразрядный ЦАП с точкой суммирования, среднее значение постоянного напряжения в этой точке стабилизируется на уровне VIN. Вследствие этого, среднее выходное напряжение ЦАП равняется входному напряжению VIN. В свою очередь, среднее выходное напряжение ЦАП определяется плотностью потока единиц в одноразрядном потоке данных, следующего с выхода компаратора. Когда значение входного сигнала увеличивается до +VREF, число единиц в последовательном потоке данных увеличивается, а число нулей уменьшается. Точно так же, когда значение сигнала приближается к отрицательному значению – VREF, число единиц в последовательном потоке данных уменьшается, а число нулей увеличивается. Попросту говоря, в последовательном потоке разрядов на выходе компаратора содержится среднее значение входного напряжения. Цифровой фильтр и дециматор обрабатывают последовательный поток битов и выдают окончательные выходные данные [1].

Конвейерные АЦП

Конвейерные АЦП относятся к группе последовательно-параллельным АЦП. Эти АЦП могут иметь более двух тактов задержки в зависимости от специфики своей архитектуры. На рис. 6 представлена архитектура 12 разрядного АЦП.  

Рис. 6. 12- разрядный АЦП конвейерного типа

            УВХ 1, УВХ 2 – устройство выборки и хранения.

            Буферный регистр – сохраняет старшие 6 бит

            Коррекция ошибки – корректирует ошибки преобразования

Первые старше разряды (MSB) оцифровываются первым параллельным АЦП, и двоичный выходной код подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Выходной сигнал с ЦАП вычитается из сохраненного аналогового входного сигнала, и результат вычитания (остаток) усиливается и подается на второй параллельный АЦП. Затем выходные сигналы двух параллельных преобразователей объединяются в один выходной код. Если динамический диапазон остаточного сигнала не точно заполняет динамический диапазон второго параллельного преобразователя, возникает нелинейность и, возможно, потеря кода. Для устранения этой ошибки используется цифровая коррекция ошибки [5].

КАСКАДНЫЕ АЦП (BIT-PER-STAGE, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ)

Для выполнения аналого-цифрового преобразования существуют различные архитектуры, использующие принципы последовательного преобразования. В действительности, конвейерный АЦП с одним разрядом на ступень и без коррекции ошибок может рассматриваться как АЦП последовательного счета. На рис. 7 представлена общая концепция. УВХ (устройство выборки и хранения) хранит значение входного сигнала в течение цикла

преобразования. Существует N ступеней, каждая из которых имеет одноразрядный цифровой выход и выход остаточного сигнала. Остаточный сигнал каждой ступени является входным сигналом для следующей ступени. Как показано на рис. 7, последний разряд является просто выходным сигналом компаратора.

Рис. 7. Последовательные каскадные АЦП

            УВХ – устройство выборки и хранения.

На рис. 8 показан каскад для выполнения одного однобитового преобразования. Каскад состоит из усилителя с коэффициентом усиления 2, компаратора и одноразрядного ЦАП. Предположим, что данный каскад представляет собой первую ступень АЦП. Старший значащий разряд – это разряд полярности входного сигнала, определяемой компаратором, который также управляет одноразрядным ЦАП. Выходной сигнал одноразрядного ЦАП суммируется с сигналом на выходе усилителя, который имеет коэффициент усиления 2. Результирующий остаточный сигнал подается на следующую ступень. [6].

Рис. 8. каскад каскадного АЦП

Список литературы.

  1. Аналогово-цифровое преобразование. Редактор оригинального издания Уолт Кестер. Техносфера, москва 2007.
  2. Журнал "Компоненты и технологии", № 3'2005
  3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Издательский дом Додэка-XXI, 2005, 528 с
  4. Chuck Lane, A 10-bit 60MSPS Flash ADC, Proceedings of the 1989 Bipolar Circuits and Technology Meeting, IEEE Catalog No. 89CH2771-4, September 1989, pp. 44-47.
  5. A 12-b 50Msample/s Pipeline Analog to Digital Converter by Nathan Carter April 24, 2000
  6. ГЛАВА 3 АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ЗАДАЧ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Уолт Кестер, Джеймс Брайэнт

 

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.