2.6.АцПиЦап

Переходкцифровойпередачеизображенияизвуковогосопровожденияпо­требовалсозданиянеобходимойэлементнойбазы,втомчислеАЦПиЦАП,обеспечивающихтребуемыепараметрыпочастотедискретизации,числураз­рядовквантованияипогрешностямиимеющихдостаточноневысокиестои­мостьиэнергопотребление.Каквидноизпредыдущихразделов,длявидеосиг­наловнеобходимыАЦПиЦАПсчисломразрядов8,1Оидаже12ичастотойдискретизациинеменее13,5МГц,асучетомжелательностиповышениячас­тотыдискретизации(oversampliпg)-до30илидаже60МГц.Длязвуковыхсиг­наловнеобходимыАЦПиЦАПсчисломразрядовквантованиянеменее16,алучше18...20,ичастотойдискретизациинеменее50кГц,асучетом()Versampliпg-до150...200кГц.

S(f)

АЧХФНЧ

а)S(f)

о 44,1 88,2 132,3

б)

----''---!-f.кГц

174,6

Рис.2.22.СпектрысигналовнавыходеЦАПпричастотедискретизации44.1кГц(а)иприповышениичастотыдискретизациив4раза(б)

СовременныеАЦПиЦАП,какправило.представляютсобойБИС,выпол­ненныепоКМОП-технологии,итребующиеминимальноечислодополнитель­ныхвнешнихэлементовдлявыполнениясвоихфункций.

РассмотримосновныевариантыпостроенияЦАП.

Чащевсегоиспользуетсяпринципцифро-аналоговогопреобразования,ос­нованныйнасуммированиитоков.Нарис.2.23показанаструктурнаясхемаЦАП.содержащегоЬгенераторовтока,питающихсяотисточниканапряженияЕп,иЬключей,гдеЬ-числодвоичныхразрядов,равноевданномпримере5.Величинытоковпропорциональныстепеням2.Ключзамыкается,еслисоответ­ствующийбитQвочередномтактецифровогосигналаравенлог.1,иразмыка­етсявпротивоположномслучае.СуммарныйтоктечетчерезсопротивлениенагрузкиRнисоздаетвыходноенапряжениеИвых·ДляпреобразованиясуммытоковвнапряжениенавыходеЦАПможетбытьиспользованоперационныйусилитель.ШирокоизвестнасхемаЦАПсрезистивнымицепямиR-2R.

Цифровыетелевизионныеlсигналы

ДостоинствомЦАПссуммированиемдвоично-взвешенныхтоковявляетсяминимальноечислогенераторовтокаиключей.Однакоприбольшомчислераз­рядовивысокойчастотедискретизацииначинаетсильносказыватьсянедоста­токтакихЦАП,которыйзаключаетсявтом,чтоодновременноепереключениеключейвнесколькихдвоичныхразрядахсоздаетзначительныепомехиввыход­номнапряжении.Этипомехизависятоттого,какиеименноключизамыкаютсяилиразмыкаются,чтосоздаетдополнительныепогрешностипреобразования.ДругойнедостатокэтогопутипостроенияЦАП-необходимостьполучениявысо­коточныхрезисторовразныхноминалов,чтотребуетсложнойидорогостоящейтехнологии.

Значительноменьшеуказанныенедостаткисказываются,есличислогенера­торовтокаиключейувеличитьдо2ь-1,итокивсехгенераторовсделатьравными

1₀•ПриподаченавходтакогоЦАПдвоичногочислаК,гдеК=О,1,...2ь-1,замк­нетсяКключей,ивыходнойтокбудетравенК/₀.Приувеличениивходногочислаключибудуттолькозамыкаться,априуменьшении-толькоразмыкаться.

Ивых

Рис.2.23.ЦАПссуммированиемдвоично-взвешенныхтоков

ЭтотвариантназываетсяЦАПсполнымдекодированиемилисстермометр»поаналогиистермометром,содержащимстолбикжидкости,которыйможетподни­матьсяиопускаться.Очевидно,чтоЦАПсполнымдекодированиемсодержитзначительнобольшеэлементов,чемЦАПсдвоично-взвешеннымитоками.

ДляпостроениябыстродействующихЦАПсбольшимчисломразрядовкван­тованияиспользуютсяструктурныесхемысразделениемнасегменты.Пример1О-разрядногоЦАПтакоготипапоказаннарис.2.24.Наэтомрисункежирнымистрелкамипоказаныцифровыешины,рядомскоторыминаписаночислоразря­доввних.

Входной1О-разрядныйкодфиксируетсявреГистреРег1поимпульсамтак­

товойчастотыf₁•Затем5старшихразрядовпреобразуютсядешифраторомДшвЗ1-разрядныйкод.Используетсязаконпреобразованиясстермометр»:еслинавходедешифраторачислоN(вдвоичнойзаписи),тонавыходахNмладшихразрядовДшединицы,анаостальныхвыходах-нуJ)и.l<одысвыходаДшвме­стес5младшимиразрядамивходногокодазапоминаетсявЗ6-разрядномре­гистреРег2.ПолученныйЗ1-разрядныйкоддалеепоступаетнаЦАП1,содер­жащийЗ1генератортокаодинаковойвеличиныиЗ1ключ.Младшие5разрядовпоступаютнаЦАП2,построенныйnoпринципусуммированиядвоично­взвешенныхтоков.Помехи,возникающиевЦАП1иЦАП2припереключениях,

оказываютсянезначительными,таккаккоммутируютсянебольшиетоки.ТокиЦАП1иЦАП2суммируютсяиобразуютвыходнойток.

Прицифро-аналоговомпреобразованиизвуковыхсигналов,какпояснялосьвпредыдущемпараграфе,используютповышениечастотыдискретизациииин­терполяцию.ДляэтогоимеютсяспециальныеЦАП(рис.2.25,а).Интерполяторпредставляетсобойцифровоеустройство,вкоторомвпромежуткемеждукаж­дымидвумяотсчетамивходногоцифровогосигналавставляетсяk-1новыхот­счетов,рассчитываемыхпоопределеннымправилам.Врезультатечастотадис­кретизацииувеличиваетсявkраз.Затемсигналпреобразуетсяп-разряднымЦАПваналоговуюформуифильтруетсяФНЧ.

lвых

Рис.2.24.1О-разрядныйсегментированныйЦАП

nбит

f k

kfд а)

kfд б)

Рис.2.25.ЦАПсинтерполяцией(а)иссигма-дельтамодулятором(б)

НаибольшеечислоразрядовквантованияобеспечиваетсявЦАПссигма­дельтамодулятором(рис.2.25,6).Интерполяторповышаетчастотудискретиза­циивkраз.Цифровойсигма-дельтамодуляторпреобразуетп-разрядныедвоич­ныесловавт-разрядные(т<п)слова,которыепреобразуютсят-разряднымЦАПваналоговыйсигнал,сглаживаемыйФНЧ.Сигма-дельтамодуляторформи­руетт-разрядныесловатак,чтобыврезультатеусреднениянесколькихотсче­тов,идущихсувеличеннойчастотойдискретизации,получалосьтребуемоезна­чениевыходногоаналоговогосигнала.Чемменьшетпосравнениюсn,тембольшедолжнобытьчислоk,показывающеевосколькоразувеличиваетсячас­тотадискретизации.Впредельномслучаеможетбытьт=1.Приэтомвыходноенапряжениеполучаетсясглаживаниемпоследовательностиимпульсов,каквустройствахсширотно-импульснойиличастотно-импульсноймодуляцией.

Втабл.2.6приведеныпараметрыЦАПразныхтипов[5,6].ПерейдемкпринципампостроениясовременныхАЦП.

АЦПуравновешивающеготипа(рис.2.26)содержатсхемувыборкиихране­ния(СВХ),компаратор,регистрпоследовательногоприближения(РПП),ЦАПисхемууправления.

Таблица2.6

ТипЦАП	Производ-ство	Числоразря-дов	Максималь-наячастотадискретиза-ции	Максималь-наяпотреб-ляемаямощ-несть,мВт	Примечания
AD1859	ANALOGDEVICES	2х16/18	44,1кГц	330	Звуковой, двухканаль-ный,сигма-дельта,синтерполяциейиФНЧ
AD768	ANALOGDEVICES	16	30МГц	465	Низкие коммутацион-ныепомехи
AD9701	ANALOGDEVICES	8	250МГц	780	Сформированиемсин-хрониз.игасящихим-пульсов
ADV7123	ANALOGDEVICES	3х10	140Мгц	180	Трехканальный,сфор-мированиемсинхрониз.игасящихимпульссев
AD9772A	ANALOGDEVICES	14	160МГц	250	ДляцифровыхтрактовПЧ,дваинтерполи-рующихфильтра
TDA8712	PHILIPS	8	50МГц	340	Дваразнополярныхвы-хода
TDA8772	PHILIPS	3х8	35/85МГц	700	Трехканальный,сфор-мированиемсинхрониз.игасящихимп-в
TDA8776	PHILIPS	10	1000МГц	925	Посхемерис.2.24
TDA1305	PHILIPS	2х20	48кГц	200	Звуковой,стерео,пе-редискретизацияв96разиинтерполяция

Припоступлениисигнала«Пуск))вСВХзапоминаетсянапряжениевходногосигналавэтотмоментвремени,послечегоначинаетсяпроцессуравновешива­ния.ВРППпоследовательно,начинаясостаршегоразряда,подбираетсяЬ­разрядныйкодтак,чтобыполучитьминимальнуюразницунапряженийнавы­ходахЦАПиСВХ.ПроцесспреобразованиязанимаетЬтактов.Послеегоза­вершенияформируетсясигнал«Готов)).

ОсновнаяпроблемавАЦПуравновешивающеготипа-реализацияЦАПстребуемымичисломразрядовибыстродействием.Одновременнополучитьзначенияобоихэтихпараметров,необходимыедляоцифровкителевизионныхсигналов,неудается.НодлязвуковыхсигналовАЦПсуравновешиваниемприменяются.

ВысокоебыстродействиедостигаетсявАЦПпараллельноготипа(рис.2.27).ЧтобыполучитьЬдвоичныхразрядовнавыходе,устройстводолжносодержать2ь-1компараторов.НаоднивходыкомпараторовподаетсявходнойсигналИвх.анадругие-пороговыенапряжениясвыходовделителянапряжения,навходко­торогоподаетсяопорноенапряжениеИоп·

ПускГотов

Вход

Рис.2.26.АЦПуравновешивающеготипа

Чемвышеуровеньвходногосигнала,тембольшекомnараторовбудетиметьнавыходахлогическую«1>).Шифраторnреобразует(2ь-1)-разрядныйкодском­паратороввЬ-разрядныйдвоичныйкод,поступающийнавыход.БыстродеИст­виетакогоАЦПопределяетсябыстродействиямикомпараторовишифратора.

Моментыдискретизацииопределяютсяподачейстроб-импульсов(Строб),по

которымразрешаетсясрабатываниекомпараторовификсируетсякоднавыходешифратора.

Увеличениечисларазрядовна1вАЦПnараллельноготипатребуетувели­

чениячислакомпараторовв2раза.ПриэтомсоответственноувеличиваютсяплощадькристаллаБИСипотребляемаямощность.ПоэтомутакаяструктуравчистомвидеиспользуетсявбыстродействующихАЦПсчисломразрядовнеболее8.

Увеличениечисларазрядовпривысокомбыстродействиидостигаетсявпа­

раллельно-последовательныхАЦП(рис.2.28).ВСВХфиксируетсянапряжениеИ1входногосигналавмоментдискретизации.АЦП1выполняет«Грубое»пре­образованиеиформируетЬ_{1старших}двоичныхразрядов.ЦАПпреобразуетэтиразрядывнапряжениеU₂,котороевычитаетсяизU₁.Полученнаяразностьf),.UусиливаетсяипоступаетнаАЦП2,которыйформируетмладшихразрядов

о

Q.

1-

^"' Выход

:s:

3

R

0,5R

Рис.2.27.АЦПпараллельноготипа

Вход

Выходнойрегистр

Рис.2.28.АЦПпараллельне-последовательноготипа

выходногокода,имеющеговрезультатеЬ=Ь1+разрядов.Естьварианты.вкоторыхЬ<Ь₁₊,иприобъединениивыходныхкодовАЦП1иАЦП2выпол­няетсяцифроваякоррекцияошибокпреобразования.

АЦП1иАЦП2могутбытьпараллельноготипа.аЦАП-ссуммированиемдво­ично-взвешенныхтоковилисполнымдекодированием.Ьлагодаряусилениюраз­ностиL'!U,АЦП2можетиметьдостаточнобольшойшагквантования.АЦПдляцифровоготелевидения,имеющие10...12разрядовпричастотедискретизациидо40...60МГциболее,построеныименнопопаралельно-последовательнымсхемам.

ЕщеодинтипбыстродействующихАЦП-устройстваспоследовательным

преобразованиемтипа«битнакаскад»(рис.2.29).Вкаждомкаскадевыполня­етсясравнениевходногонапряженияэтогокаскадасопорнымнапряжениемИоn.врезультатечегоформируетсяодинразрядвыходногокода.Крометого,вкаждомкаскадекромепоследнегоформируетсяостаточноенапряжение,кото­роеявляетсявходнымнапряжениемдляследующегокаскада.Времяпреобра­зованияопределяетсявременемпереключенияЬкаскадов.

ОдинизвариантовработыкаскадавтакомАЦПследующий:

• правилоформированияразрядакода:еслиИвхi>О,тоQi=1,иначе

Oj=O;

• правилоформированиянапряжениядляследующегокаскада:еслиQi=1,тоИвхi+1=2Ивхi-Иоn.иначеИвхi+1=2Uвxi+Иоn·

ВходноенапряжениеАЦПдвуполярное.Сформированныйкодпреобразует­

сялогическойсхемойвобщепринятыйдополнительныйдвоичныйкод.

Вход

Ьбит

Выход

Рис.2.29.ПоследовательныйАЦПтипа«битнакаскад»

АЦПописанноготипатакжемогутиспользоватьсякаксоставныечастипа­раллельно-последовательныхАЦП.

НаибольшеечислоразрядовквантованияобеспечиваетсявАЦПссигма­дельтамодулятором(илипростосигма-дельтаАЦП).ПростейшийвариаюструктурытакогоАЦПприведеннарис.2.30.

Компаратор,которыйможносчитатьодноразряднымАЦП,сравниваетна­

пряжениесвыходавычитателяснулевымуровнем.КомпаратортактируетсясчастотойkfдивоздействуетнаодноразрядныйЦАП,выходноенапряжениекоторогопринимаетзначениеИоnприлог.1навыходекомпаратораи-U₀n-прилог.О.НапряжениесвыходаЦАЛвычитаетсяизвходногонапряженияИвх·ре­зультатвычитанияинтегрируется.т.е.усредняетсязанекотороевремяинте­граторомипоступаетнавходкомпаратора.

ПолученнаяследящаясистемасОтрицательноиобратнойсвязьюстремитсяподцерживатьнавыходеинтеграторавсреднемнулевоенапряжение.Поэтомуприувеличениивходногонапряжениянавыходекомпараторабудетбольшевремениприсутствоватьлог.1,априуменьшениивходногонапряжения-лог.О.

kfн

Вход ^{Интегратор Выход}

Ьбитfд

1-разрядЦАП

Сигма-дельтамодулятор

Рис.2.30.Сигма-дельтаАЦП

Вцифровомфильтре,алгоритмработыкоторогодостаточносложениздесьнеописывается,последовательностьлог.1иОсвыходакомпараторапреобра­зуетсявЬ-разрядныедвоичныеслова,поступающиенавыходАЦПсчастотойдискретизацииfд.

Сигма-дельтаАЦПимеютдо24разрядовквантования.Основныеобластиприменения-высококачественнаяцифроваяпередачазвукаиизмерительнаяаппаратура.

Втабл.2.7приведеныпараметрынекоторыхБИСАЦП[5,6].

Таблица2.7

ТипАЦП	Производ-ство	Числоразрядов	Макси-мальнаячастотадискрети-зации	Максималь-наяпотреб-ляемаямощность	Примечания
AD73322L	ANALOGDEVICES	2х16АЦП 2х16ЦАП	64кГц	73мВт	Звуковой,двухканыйсигма-дельт	наль- акодек

и

ТипАЦП	Производ-ство	Числоразрядов	Макси-мальнаячастотадискрети-зации		Максималь-наяпотреб-ляемаямощность		Примечан	я ----
AD7721	ANALOGDEVICES	16	312кГц		175мВт		Сигма-дельта
AD7660	ANALOGDEVICES	16	100кГц	15мВт		Уравновешивающеготипа
AD9224	ANALOGDEVICES	12	40МГц	390мВт		Параллельно-последовательныече-тыреступени,коррек-цияошибок
AD9840	ANALOGDEVICES	10	36МГц	140мВт		ДляПЗС-телекамер,сосхемамиобработкиви-деосигнала
SAA7366	PHILIPS	2х18	53кГц	345мВт		Звуковой, двухканаль-ный,сигма-дельта,по-следевательныйвыход
TDA8716	PHILIPS	8	120мгц	900мВт		Параллельно-последовательныедвеступени.коррекцияошибок
TDA8752	PHILIPS	Зх8	80МГц	1Вт		Трехканальный,дляуправленияЖК-экранами,ТВ-синхронизация
TDA8763	PHILIPS	10	50МГц	220мВт		-
SAA7111A	PHILIPS	2х8	14,3МГц	500мВт		Формировательцифре-вых ТВ-сигналовИЗПЦТСсцифровымде-кодеромцветности
SAB9076H	PHILIPS	4х8	27МГц	1Вт		Контроллер «Кадр в кадре••

ВтаблицувошлинетолькоспециализированныеБИСАЦП,нотакжесодер­жащиеАЦПформировательцифровыхТВ-сигналовсдекодеромцветностиSAA7111Aиконтроллерсистемы«кадрвкадре))(PIP)SAB9076H.

ГлаваЗ

ЦИФРОВАЯОБРАБОТКАТЕЛЕВИЗИОННЫХСИГНАЛОВ