7.7.3.2Параллельные ацп
Последовательно-параллельный и просто параллельный преобразователи применяются главным образом там, где требуется максимально высокое быстродействие. Последовательное преобразование обладает достоинством, заключающимся в том, что время распространения через цепочку усилителей равно квадратному корню из произведения числа каскадов на время установления одного каскада в отличие от суммирования «по каждому каскаду. Добавляя компаратор для каждого вывода сетки, образованной по двоичному закону, как показано на Рисунок 7 .46, можно воспользоваться этим высоким быстродействием. В параллельном АЦП на Рисунок 7 .46 используется один компаратор на каждый входной уровень квантования (т. е. 6-разрядный преобразователь должен иметь 6 компараторов). Преобразование осуществляется без обратной связи, единственное, что требуется наряду с компараторами, так это логическое устройство для декодирования выходных сигналов компараторов.
Рисунок 7.46 - Метод преобразования с параллельными компараторами - самый быстродействующий и самый простой
Так как между аналоговыми входами и цифровыми выходами находятся только компараторы и логические элементы, то может быть получено максимально высокое быстродействие: вплоть до 50 000 000 выборок в секунду при низких разрешающих способностях, до 6 разрядов или менее. Тот факт, что число компараторов и логических элементов увеличивается с повышением разрешающей способности, безусловно делает практически нереальной реализацию этого преобразователя для разрешающей способности выше 6 разрядов.
Модифицированные параллельные схемы, как, например, последовательно-параллельные, могут обеспечить хороший компромисс между объемом аппаратурной части и сочетанием разрешающая способность — быстродействие за счет незначительного увеличения аппаратурной части и ухудшения быстродействия. Они могут выполнять до 100 000 преобразований в секунду при разрешающей способности вплоть до 14 разрядов.
7.8. Факторы применения
7.8.1 Характеристики цап
При анализе табличных данных необходимо проявлять большую тщательность, чтобы выяснить условия, при которых определяется каждый параметр, а параметры наверняка определяются по-разному. Наиболее легко путаемыми характеристиками ЦАП являются разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающую способность почти всегда определяют через разряды — 6, 8, 10, 12 или 16. Такое определение уже само по себе неправильно. Разрешающая способность есть значение выходного сигнала, соответствующее разности между двумя уровнями напряжений, обусловленными подачей смежных входных цифровых кодов, как, например, кода 000001 и следующего за ним кода 000010. Следовательно, разрешающая способность должна определяться как напряжение, обычно в милливольтах. Ее получают делением полного диапазона напряжения на 2n, где n — число разрядов, принятых во входном цифровом коде. Таким образом, если полный диапазон равен 10 В, разрешающая способность должна быть 10/1024, или 9,75 мВ. С другой точки зрения, разрешающую способность рассматривают как значение напряжения, соответствующее единице младшего разряда (МР).
При рассмотрении разрешающей способности преобразователя нужно четко различать полный диапазон, полную шкалу напряжения и просто «полную шкалу». В биполярном преобразователе, имеющем, например, диапазон выходного сигнала ±10 В, полный диапазон равен 20 В, полная шкала напряжения соответствует 10 В, и каждый изготовитель точно определяет полную шкалу для своего преобразователя. Известно, что некоторые фирмы изготовители в одних табличных данных используют полный диапазон, а в других — полную шкалу напряжения.
Точность часто путают с разрешающей способностью. В действительности же это две крайне слабо связанные между собой характеристики. В то время как разрешающая способность дает размер ступени выходного сигнала, точность устанавливает связь конкретного напряжения любой заданной ступени с эталонным вольтом, принятым в Национальном бюро стандартов. Такая оценка иногда называется абсолютной точностью.
Иногда точность определяют исходя из связи действительного значения напряжения с разрешающей способностью. При таком подходе ее обычно приводят в долях МР. Широко распространенной, но некорректной, является оценка точности ± 1/2 МР. Она просто гарантирует, что для некоторой номинальной температуры, равной 25°С, выходное напряжение преобразователя находится где-то в пределах разрешающей способности преобразователя. Но она ничего не говорит о том, что происходит с изменением температуры. Для диапазона же температур точность оговаривают редко; фирмы изготовители либо ничего не говорят о температуре, либо приводят отдельно температурный коэффициент точности. Потребитель должен сам при наличии неполного перечня характеристик прогнозировать возможный диапазон изменения температуры, при котором оценка точности не выходит за пределы ± 1/2 МР. Такой диапазон температур может составить лишь несколько градусов.
Так как точность относится к аналоговым величинам, ее более целесообразно определять как отклонение в процентах. Если задают температурный коэффициент, то его также необходимо давать в процентах на градус стоградусной шкалы. Это позволило бы инженерам легко рассчитывать изменения точности в диапазоне температур. К сожалению, многие фирмы изготовители предпочитают давать этот коэффициент в миллионных долях на градус стоградусной шкалы. Такую оценку легко преобразовать в проценты на градус стоградусной шкалы, однако почему ее обязательно преобразовывать? Характеристики должны даваться в первую очередь совместимыми. К тому же отметим, что именно указанные температурные коэффициенты часто являются типовыми оценками. Немногие изготовители берут на себя труд точно измерять температурные коэффициенты для большого числа приборов и получать достоверное максимальное значение температурного коэффициента вследствие высокой стоимости выполнения таких измерений.
Абсолютная точность определяется несколькими составляющими. К числу наиболее важных относятся масштабный коэффициент, линейность, напряжение смещения и коэффициент ослабления нестабильности источника питания. Масштабный коэффициент характеризует реальное выходное напряжение, соответствующее полной шкале выходного сигнала. Отклонение от требуемого значения представляет погрешность масштаба. Ее следует давать в процентах от полной шкалы, но такая оценка встречается редко. Если провести линию из отсчета, соответствующего реальной полной шкале, через нуль, то отклонение от этой линии иногда называют относительной точностью. Его также иногда называют линейностью ЦАП, однако это неверно, потому что при входном коде, требующем нулевого выходного сигнала, в действительности выходной сигнал обычно имеет конечное напряжение. Оно называется напряжением смещения.
Чтобы правильно определять линейность, или, что более корректно, нелинейность преобразователя, линию следует проводить из отсчета, соответствующего реальной полной шкале, через значение напряжения смещения. А отклонение от этой линии и является истинной нелинейностью преобразователя.
В большинстве случаев колебания напряжений источников питания будут вызывать изменение напряжения, соответствующего полной шкале. Таким образом, будет изменяться линейность и, в свою очередь, точность. Иногда, правда нечасто, предлагают вниманию термин, называемый коэффициентом ослабления нестабильности источника питания. Обычно он имеет размерность «% на %». Только в редких случаях инженеру понятно, что это означает. Обычно он означает изменение в процентах масштабного коэффициента при изменении напряжения источника питания на 1%. Тем не менее, иногда он означает изменение точности в процентах при изменении напряжения источника питания на 1%. Этот термин также иногда называют чувствительностью к напряжению источника питания. Данная специфическая характеристика наиболее часто встречается в перечне характеристик АЦП.
Так как точность определяется всеми этими составляющими, было бы важно знать, как изменяется каждая из них. Изменения происходят как с изменением температуры, так и во времени. В ряде случаев погрешности масштабного коэффициента и напряжения смещения можно скомпенсировать с помощью внешних потенциометров. Источники же других погрешностей так легко не скомпенсировать.
Линейность является особой, наиболее важной характеристикой. Если она не находится всегда в пределах допуска ± 1/2 МР, то характеристика преобразователя может быть немонотонной, а это означает, что при подаче входного кода, требующего небольшого увеличения выходного сигнала, выходной сигнал, наоборот, может уменьшиться. Большинство потребителей оказывается в трудном положении, если характеристики их преобразователей немонотонные: в системах с обратной связью может возникнуть генерация.
Каждая составляющая, влияющая на точность, изменяется с температурой по-разному. Хорошо составленный перечень характеристик будет содержать отдельно температурные коэффициенты для линейности, масштабного коэффициента и напряжения смещения. К тому же температурные коэффициенты должны быть максимальными, а не типовыми оценками. В действительности минимаксные оценки необходимо давать для всех характеристик. «Типовые» оценки уже явились причиной многих дополнительных затрат. Если в качестве источника опорного напряжения ЦАП используется только стабилитрон и ничего больше, то опорное напряжение необходимо время от времени заново калибровать. Со временем оно изменяется, вызывая изменение масштабного коэффициента. Однако в табличных данных редко указывается, как часто необходимо его калибровать.
Изменения в многозвенной цепочке резисторов вызывают необратимые изменения линейности. Сопротивления толстопленочных резисторов 1могут изменяться до 0,1% за год. Проволочные резисторы лучше, но они дороже и более инерционные. Помимо этого, на значения сопротивлений могут воздействовать тепловые и электрические удары, возникающие во время эксплуатации. Изменение во времени характеристик влияет на повторяемость результатов испытаний ЦАП. Некоторые ЦАП называют «прецизионными». Прецизионность означает повторяемость результатов испытаний. Однако очень немногие изготовители дают инженеру какие-либо сведения о том, как будут вести себя их преобразователи при одном и том же коде через день, месяц или год.
Полными характеристиками точности обычно являются средние значения погрешностей различных видов. Иногда «точность» оценивается средним квадратическим значением. Иногда же она определяется измеренным значением погрешности.
Многие потребители полагают, что 12-разрядный ЦАП должен иметь точность 0,01% для всего указанного температурного диапазона преобразователя. Она соответствует ± 1/2 МР 12 разрядов. Более вероятно, что преобразователь в некоторой узкой зоне около 25°С будет иметь точность ± 1/2 МР, а затем в некотором интервале точность ± 1/2 МР 11 разрядов, а потом 10 и далее 9 разрядов. В некоторых применениях такой преобразователь может оказаться пригодным. Однако если он не пригоден, то инженер выяснит это слишком поздно. Вполне возможно, что точность 12-разрядного ЦАП будет ± 1/2 МР 10 разрядов и ± 1/2 МР 14 разрядов, только для разных диапазонов температур. Необходимо помнить, что разрешающая способность и монотонность являются независимыми величинами. В большинстве управляющих систем с цепью обратной связи более важно обеспечить разрешающую способность и монотонность, нежели точность, в результате преобразователь будет более дешёвым.
Одна из наиболее важных характеристик преобразователя — время установления — определяется при многих условиях; назовем лишь некоторые из них: различные процентные значения от полной шкалы, как максимальное возможное, так и типовое значение, а также заданный перепад входного напряжения (который не всегда один и тот же у различных фирм изготовителей).
Время установления часто дается как время, которое требуется выходному напряжению, чтобы перейти с одного установившегося уровня на соседний уровень с точностью ± 1/2 МР, при изменении входного кода на единицу. В других случаях оно дается для изменения выходного сигнала от 0 до значения, соответствующего полной шкале, при подаче кода, вызывающего такое изменение. Время, требуемое для изменения на полную шкалу, является . максимальным временем преобразования и наиболее важным из этих двух. Иногда даются оба значения. Если время установления дается только для изменения на единицу МР, то преобразователь будет представляться более быстродействующим, чем он есть на самом деле. К тому же время установления может изменяться в зависимости от того, устройство представляет собой ЦАП с выходом по напряжению или ЦАП с выходом по току. Дополнительная путаница вызывается тем, что время установления часто определяется для точности 0,1%; 0,05% и так далее от полной шкалы. Эти значения могут соответствовать или не соответствовать ± 1/2 МР.
Скорость нарастания есть скорость изменения в В/мкс, которую способен развить выходной сигнал. Она определяется операционным усилителем.
Иногда дается время переключения. Это есть время установления без длительности затухающего колебания, возникающего после того, как закончилось начальное изменение выходного сигнала по линейному закону и этот сигнал превысил установившееся значение.
После того, как рассматриваемая разрешающая способность превышает 11 или 12 разрядов, важное значение приобретает шум. Он бывает двух видов: генерируемый внутри преобразователя и внешний, принимаемый от источника питания или от другой, расположенной по соседству цепи. Изготовители могут оговаривать внутренний шум либо в виде его среднего квадратического значения, 3σ, либо в виде пикового значения напряжения шума в полосе частот преобразователя. Для ЦАП значения шума приводят редко, тем не менее, иногда их дают для ЦАП с высокой разрешающей способностью.
С таким же успехом иногда оговаривают степень подавления синфазной помехи или помехи нормального вида. Эти характеристики относятся главным образом к внешнему шуму. Часто бывает достаточно наводки от источника питания, чтобы точность преобразования вышла за пределы своего номинального значения. Как только разрешающая способность превышает 16 разрядов, сопротивление даже короткого отрезка стандартного проводника вызывает еще более сложную проблему. Например, рассмотрим случай 16-разрядного ЦАП с полным диапазоном 10 В. Выходной ток, соответствующий полной шкале типового ЦАП данного класса, равный лишь 15 мА и протекающий через проволоку 18-го калибра длиной в 2 фута (0,6 м), создает падение напряжения приблизительно 165 мкВ, которое чуть больше 1 МР для этого преобразователя. Оно смещает преобразователь в целом на конечное значение напряжения относительно общего провода, что более чем достаточно, чтобы заметно ухудшить точность преобразователя. Проблемы шума, такие, как эти, могут быть частично решены тщательной защитой преобразователей, использованием развязывающих цепей, располагаемых у выводов преобразователя по источникам питания, и другими техническими приемами аккуратного конструирования схем. Одни фирмы-изготовители встраивают такие устройства, другие нет. Единственный верный способ узнать, будет ли преобразователь работать в вашей аппаратуре — приобрести преобразователь и испытать его.
Особый характер проблемы шума в ЦАП заключается в наличии на выходе всплесков напряжения, вызванных замыканием ключей внутри преобразователя. По величине эти всплески свободно могут составлять несколько МР и могут создавать помехи внешним устройствам. Некоторые преобразователи содержат встроенные устройства для устранения всплесков — устройства выборки и хранения, которые удерживают неизменным выходной сигнал преобразователя в течение длительности каждого переключения, а затем разрешают ему перейти к следующему значению. Однако эти устройства увеличивают стоимость преобразователя и для многих применений не являются необходимыми.
Существует много вариантов ЦАП. Один из вариантов может определяться входным кодом преобразователя. Наиболее распространенными из имеющихся кодов являются прямой двоичный, двоично-кодированный десятичный, код Грея, двоичный с дополнением до 1, двоичный с дополнением до 2, знак—модуль числа, двоичный со смещением и ряд других модифицированных и дополнительных кодов. Преобразователь может содержать или не содержать выходной буферный усилитель. В него может входить или не входить внутренний источник опорного напряжения; для получения очень высокой точности лучше обеспечить его вашим собственным внешним источником опорного напряжения. Преобразователь может характеризоваться рядом диапазонов выходного напряжения или тока. Наконец, он может характеризоваться разнообразием диапазонов рабочих температур. При сравнении по стоимости необходимо быть уверенным, что все выбранные варианты однотипны.