15. Принципы работы σδ-модулятора. Σδ-модулятор 1-го порядка.
Принцип работы: рассмотрим простейшую схему одноконтурного ΣΔ–модулятора,
Пусть на вход модулятора поступает аналоговый сигнал Xn, амплитуда которого изменяется в пределах от –В до +В, а полоса частот ограничена сверху величиной fв. В результате преобразования на выходе модулятора должен сформироваться одноразрядный поток данных, отражающий форму входного аналогового сигнала.
В силу особенностей ΣΔ–модулятора преобразование с его помощью может осуществляться с частотой в десятки и сотни раз превышающей Fн, а для предварительной фильтрации вполне достаточно простого фильтра 2–3-го порядка.
Интегратор – это активный аналоговый ФНЧ с высоким усилением в полосе частот входного сигнала и подавлением частотных составляющих, лежащих вне этой полосы. Квантователь – это компаратор с порогом срабатывания, равным «0», выход которого может переключаться из состояния «–В» в состояние «+В», и который подключен ко входу синхронизируемого тактовой частотой элемента памяти, сохраняющего это состояние в течение тактового интервала. Элементом памяти может служить обычный D-триггер. В петле обратной связи при этом понадобится отдельное переключающее устройство, выполняющее функции. Сумматор Σ1 – это операционный усилитель, на инвертирующий вход которого подается входной сигнал Xn, а инвертирующий подключен к выходу ЦАП.
16. Ацп с σδ-модулятором 2-го порядка и цифровым фильтром на выходе.
Одним из способов получения многоразрядного сигнала с высоким разрешением является использование ΣΔ-модулятора 2-го порядка совместно с цифровым децимирующим фильтром высокого порядка. Схема АЦП:
Схема включает в себя два контура ΣΔ-модулятора, включенные последовательно, на вычитающие входы обоих сумматоров Σ1 и Σ2 подается один и тот же сигнал с выхода ЦАП. Это не означает, что токи, втекающие в эти сумматоры, будут одинаковы. ток с выхода ЦАП стремится скомпенсировать входной ток модулятора, т.е. уменьшить заряд емкости интегратора, обусловленный величиной ошибки. Поскольку ошибки, накапливаемые каждым из интеграторов, будут, как правило, разными, то и токи, направленные на их компенсацию, будут распределяться пропорционально их величинам.
интегратор представляет собой активный аналоговый ФНЧ, следовательно характеристики его с повышением порядка должны улучшаться. Наличие в цепи обратной связи такого сугубо нелинейного элемента как квантователь, отклик с которого поступает на вход интегратора с задержкой на величину 1/Fт (а для двухконтурного модулятора этот отклик к первому интегратору приходит с задержкой на величину 2/Fт), обуславливает потенциальную нестабильность устройства. Стремление увеличить эффективность подавления шумов квантования в полосе модулирующего сигнала предполагает достаточно высокий коэффициент усиления операционного усилителя в схеме интегратора. Но для интегратора 2-го порядка высокое усиление может привести к тому, что в результате накопления большой ошибки напряжение на выходе второго интегратора в несколько раз превысит максимальную амплитуду входного сигнала. Эффективное усиление компаратора, как элемента нелинейного, обратно пропорционально величине сигнала на его входе. Если на выходе интегратора, соединенном со входом компаратора, появляется чересчур высокое напряжение, то компаратор оказывается перегружен, и его усиление падает. На практике для борьбы с таким явлением предусматривают схему принудительного вывода компаратора из состояния перегрузки.
методом обеспечения стабильности работы модулятора является тщательный расчет его элементов, в первую очередь – параметров интегратора. Коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи выбирается вблизи значения коэффициента передискретизации K = Fт/Fд, а постоянная времени интегрирования τ не должна превышать 1/Fт. Большее значение τ делает работу модулятора нестабильной.
Коэффициент передискретизации K выбирается исходя из требований к уровню шумов квантования на выходе АЦП с учетом того, что основная нагрузка по устранению внутриполосного шума ложится на цифровой фильтр-дециматор, который формирует из одноразрядного потока с выхода модулятора многоразрядные отсчеты. В качестве такого фильтра чаще всего используют трансверсальный фильтр высокого порядка, обеспечивающий линейность фазовой характеристики.