2. Выбор и описание ацп

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 [4].

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 цифровыхмультиметрах 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 [5]. Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:

• выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные дискретные моменты времени, т. е. дискретиза­ция сигнала по времени;

• квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;

• кодирование – замена найденных квантованных значений не­которыми числовыми кодами.

Дискретизация сигнала во времени - это преобразование непрерывного аналогового сигнала в последовательность его значений в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчетами или выборками. В результате дискретизации непрерывного синусоидального сигнала получается дискретный сигнал. Обратное преобразование дискретного сигнала в непрерывный осуществляется с помощью операции, называемой интерполяцией. В результате этой операции промежутки между отсчетами заполняются по определенному закону.

Поэтому сигнал после дискретизации и интерполяции имеет относительно небольшие отличия от исходного сигнала, а самое главное - имеет такую же частоту, как и исходный непрерывный сигнал [2].

При квантовании непрерывному множеству мгновенных значений отсчетов аналогового сигнала ставят в соответствие конечное множество значений уровней квантования. Иначе говоря, каждое значение отсчета заменяется ближайшим к нему разрешенным значением.

Расстояние между соседними разрешенными уровнями квантования называют шагом квантования. Процедуру квантования можно рассматривать как результат прохождения входного сигнала через устройство с амплитудной характеристикой ступенчатой формы. Если в пределах этой характеристики шаг квантования постоянен, то квантование называют равномерным. Этот простейший вид квантования широко используется в цифровой технике. Он удобен для начального цифрового представления аналогового сигнала с целью их последующей обработки, а также последующего сокращения избыточности цифровых сигналов при передаче их по каналам связи [4].

Классификация аналого-цифровых преобразователей представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Классификация аналогово-цифровых преобразователей

Аналогово-цифровые преобразователи бывают:

Последовательные АЦП прямого преобразования, полностью последовательные АЦП (k=n), медленнее параллельных АЦП прямого преобразования и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования

Параллельные АЦП прямого преобразования, полностью параллельные АЦП, содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала:

• дифференциального кодирования содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе;

• интегрирующие АЦП, также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени.

Последовательно-параллельные АЦП прямого преобразования, частично последовательные АЦП, сохраняя высокое быстродействие позволяют значительно уменьшить количество компараторов;

• много контактные;

• многоступенчатые;

• конвейерные.

Выбор АЦП производится по максимальному входному напряжению и по частоте преобразования и точности преобразования.

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП [4].

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений.

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effectivenumberofbits, ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (6 дБ соответствует двукратному изменению уровня сигнала)

Наиболее известными компаниями производителями являются MAXIM, TexasInstruments и LinearTechnology. Результаты сравнения АЦП представлены в таблице 3.3 [5].

Таблица 2.3 – Сравнение АЦП

Модель	Фирма Производитель	Разрядность	Входное напряжение [В]	Частота выборок в секунду [kSPS]
MX7672-10	Maxim	12	0…10	96
К1107ПВ1	Maxim	6	0…10	90
ADS774	Maxim	12	0…20	135

Выберу АЦП  К1107ПВ1, т.к. он подходит по разрядности (необходимо 6 разрядов), напряжение питания схемы в необходимых пределах.

ИС  К1107ПВ1 является 6-ти разрядным, аналого - цифровым преобразователем (АЦП), обладающим высокой скоростью преобразования, низким энергопотреблением, диапазонами входных сигналов, выбираемыми пользователем, встроенным источником опорного напряжения (ИОН) и тактовым генератором. АЦП преобразует аналоговые сигналы в выходной сигнал двоичного кода со скоростями дискретизации, вплоть до 90 М выборок/с. Возможность непосредственного подключения демодулированных полосовых сигналов делает ИС  К1107ПВ1 идеальной для использования в широком диапазоне коммуникационных и контрольно- измерительных приложений [13].

Входной усилитель ИС  К1107ПВ1 имеет полно- дифференциальный вход, полосу аналогового сигнала 55 МГц (-0.5 дБ) и, программируемые пользователем, диапазоны с двойной амплитудой входного сигнала 125 мВ, 250 мВ, или 500 мВ. При подключении входных сигналов по переменной составляющей, входное смещение, типично, не превышает 1/4 LSB. Динамические рабочие характеристики: количество эффективных бит (ENOB) составляет 5.85 при входном аналоговом сигнале 20 МГц, или 5.7 ENOB при входном сигнале 50 МГц [13].

ИС  К1107ПВ1 имеет однополярное напряжение питания аналоговых каскадов +5 В и цифровых каскадов +3.3 В, для упрощения согласования с 3.3 В - процессорами цифровой обработки сигналов и с микропроцессорами. ИС выпускается в корпусе 24-pin SSOP.

Схема аналогово-цифрового преобразователя представлена на рисунке 2.4[13], а в таблице 2.4 представлены назначения выводов микросхемы [13].

Рисунок 2.4 – Схематичное представление микросхемы  К1107ПВ1

Таблица 2.4 – Назначение выводов микросхемы  К1107ПВ1

Номер ножки	Обозначение	Назначение
1	GAIN	Вход для выбора режима входных сигналов
2	OCC+	Положительный сигнал для компенсации
3	OCC-	Отрицательный сигнал для компенсации
4	IN+	Вход для не инвертированного входного сигнала
5	IN-	Вход для инвертированного входного сигнала
6, 11, 14	Vсс	Напряжение питания +5В
7	TNK+	Тактовый сигнал положительного фронта
8	TNK-	Тактовый сигнал отрицательного фронта
9, 10, 12, 13	GND	Заземление
15	N.C.	Не используется
16	OGND	Заземление цифрового выхода
17	VCCO	Дополнительное напряжение +3.3V ±300mV
18	DCLK	Выход цифрового сигнала для ограничения выходных данных
19	D0	Цифровой выход АЦП D0…D6
20	D1
21	D2
22	D3
23	D4
24	D5

Основные характеристики:

– высокая частота дискретизации: 90 М выборок/с;

– низкая рассеиваемая мощность: 215 мВт;

– отличные динамические характеристики:

– 5.85 ENOB (эффективное количество битов) при 20 МГц, аналоговый входной сигнал;

– 5.7 ENOB при 50 МГц, аналоговый входной сигнал;

– INL (интегральная нелинейность) и DNL (дифференциальная нелинейность) ±1/4LSB (младшего значащего разряда), типичное значение;

– входное смещение ±1/4LSB (тип);

– встроенный источник опорного напряжения (ИОН) ;

– встроенный тактовый генератор с возможностью использования внешнего генератора;

– полоса входных усилителей с полно- дифференциальными входами 55 МГц (-0.5 дБ) ;

– выбираемый пользователем, диапазон входных сигналов (двойная амплитуда): 125 мВ, 250 мВ, или 500 мВ;

– рассогласование смещения между каналами 1/4 LSB (тип);

– рассогласование усиления 0.1 дБ и фазы 0.5, типичные;

– работа с одинарными/дифференциальными входными сигналами;

– гибкое питание, 3.3 В, CMOS- совместимые цифровые выходы [13].

Рисунок 2.5 – Функциональная схема микросхемы  К1107ПВ1