пособие Вычислительная техника

минимальный разряд квантования, т.е. происходит увеличение эффективной разрядности АЦП. Негативной стороной методики является увеличение шума в выходном сигнале. Фактически ошибка квантования усредняется по нескольким соседним отсчётам.

Проблемы, связанные с передискретизацией. Как правило, сиг-

налы оцифровываются с минимально необходимой частотой дискретизации из соображений экономии, при этом шум квантования является белым, т.е. его спектральная плотность мощности равномерно распределена во всей полосе. Если же оцифровать сигнал с частотой дискретизации, гораздо большей, чем требуется по теореме Котельникова – Шеннона, а затем подвергнуть цифровой фильтрации для подавления спектра вне частотной полосы исходного сигнала, то отношение «сигнал/шум» будет лучше, чем при использовании всей полосы. Передискретизация также может быть использована для смягчения требований к крутизне перехода от полосы пропускания к полосе подавления антиалиасингового фильтра.

Типы преобразователей

Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифро- вое преобразование по сути является нелинейным процессом. Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением.

По типу преобразования АЦП можно разделить:

1)на АЦП прямого преобразования;

2)АЦП последовательного приближения;

3)АЦП дифференциального кодирования;

4)АЦП с пилообразным сигналом;

5)АЦП с уравновешиванием заряда;

6)АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов.

АЦП прямого преобразования можно разделить на параллельные, последовательно-параллельные и последовательные.

Параллельные АЦП содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр (тогда обработка кода осуществляется программно), либо на аппаратный логический шифратор, аппаратно генерирующий нужный цифровой код

взависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора

71

фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП в общем случае зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений.

Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования, частично последовательные АЦП, сохраняя высокое быстродействие, позволяют значительно уменьшить количество компараторов. Содержат в своём составе k-параллельных АЦП прямого преобразования. Второй, третий и т.д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путём оцифровки этой ошибки. На первом шаге производится грубое преобразование. Далее определяется разница между входным и аналоговым сигналами, соответствующими результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выходного цифрового значения. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в параллель- но-последовательных АЦП прямого преобразования применяется конвейерная работа параллельных АЦП.

Последовательные АЦП прямого преобразования, полностью последовательные АЦП медленнее параллельных АЦП прямого преобразования и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, но ещё больше уменьшают количество компараторов (при 8 битах требуется 8 компараторов). Троичные АЦП этого вида приблизительно в 1,5 раза быстрее соизмеримых по числу уровней и аппаратным затратам двоичных АЦП этого же вида.

АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N – разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в единицу, более младшие биты установлены в нуль. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается со входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение единицы, в противном случае – нуля.

72

АЦП дифференциального кодирования содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям.

АЦП сравнения с пилообразным сигналом содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счёта – генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счётчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем, простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам.

АЦП с уравновешиванием заряда содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа. На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T – период тактового генератора, N – константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет

73

выходным кодом АЦП. Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей, нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования. АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности.

АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов. Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота. Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.

Цифроаналоговые преобразователи можно разделить на сле-

дующие типы:

1)широтно-импульсный модулятор (ШИМ);

2)ЦАП передискретизации;

3)ЦАП взвешивающего типа;

4)ЦАП лестничного типа.

Широтно-импульсный модулятор – простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот.

ЦАП передискретизации основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов, создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости.

74

В ЦАП взвешивающего типа каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключённый на общую точку суммирования. Сила тока источника пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод – один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса.

ЦАП лестничного типа (цепная R-2R схема). В R-2R ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое – матрица токов и инверсное – матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами.

По своему расположению ЦАП находятся в начале аналогового тракта схемы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП:

–разрядность – количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задаётся в битах; количество битов есть логарифм по основанию 2 от количества уровней;

–максимальная частота дискретизации – максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала;

–THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) – мера искажений и шума, вносимых в сигнал ЦАП. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП;

–динамический диапазон – соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается

вдецибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.

Все приведённые характеристики позволяют сравнить ЦАП и выбрать необходимую решаемую задачу.

75

Вопросы для самопроверки

1.Реализуйте регистр хранения данных четырёх битов информации с последовательной загрузкой и параллельным переносом.

2.Постройте реверсивный счётчик, приведённый на рисунке 7.7. Произведите счёт импульсов в прямом и обратном направлении.

3.Постройте схему пятиразрядных АЦП и ЦАП. На примере покажите принцип работы устройств.

Вопросы для самоконтроля

1.Классификация счётчиков.

2.В чём преимущества и недостатки счётчиков с последовательным и параллельным переносом?

3.Принципы построения счётчиков-делителей с обратными связями.

4.Чем определяется быстродействие счётчиков?

5.Области применения счётчиков.

6.Какие типы АЦП и ЦАП вы знаете?

7.Перечислите основные характеристики АЦП и ЦАП.

76

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная литература

1.Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника : учеб. пособие для вузов / Е.П. Угрюмов. – СПб. : БХП-Петербург, 2005.

2.Браммер, Ю.А. Цифровые устройства : учеб. пособие для вузов / Ю.А. Браммер. – М. : Высш. шк., 2004.

3.Федорков, Б.Г. Микросхемы ЦАП и АЦП : учеб. пособие для вузов / Б.Г. Федорков. – М. : Энергоатомиздат, 1990.

4.Корнеев, И.К. Информационные технологии : учебник для вузов / И.К. Корнеев. – М.: ТК Велби: Проспект, 2009.

5.Келим, Ю.М. Вычислительная техника : учеб. пособие для студентов / Ю.М. Келим. – М. : Академия, 2007.

6.Кузьмин, А.В. Flash-память и другие современные носители информации / А.В. Кузьмин. – М. : Горячая линия-Телеком, 2005.

7.Нарышкин, А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры : учеб. пособие для вузов / А.К. Нарышкин. – М. : Академия, 2008.

Дополнительная литература

8.Лобанов, В.И. Технический минимум пользователя САПР

MAX+PLUS II / В.И. Лобанов. – Chip News, 2001.

9.Стешенко, В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов / В.Б. Стешенко. – М., 2000.

10.Информатика. Компьютерная техника. Компьютерные технологии : учеб. пособие / под ред. О.И. Пушкаря. – Киев : Академия, 2001.

11.Коцюбинский, А.О. Современный самоучитель профессиональной работы на компьютере / А.О. Коцюбинский, С.В. Грошев. –

М. : Триумф, 1999.

12.Информатика. Базовый курс / под ред. С.В. Симоновича. –

СПб., 2000.

13.Новиков, Ю.В. Основы цифровой схемотехники / Ю.В. Новиков. – М. : Высш. шк., 2001.

14.Калабеков, Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы / Б.А. Калабеков. – М. : Телеком, 2000.

15.Потёмкин, И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики

/И.С. Потёмкин. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

16.Шило, В.Л. Популярные цифровые микросхемы : справочник

/В.Л. Шило. – Челябинск : Металлургия, 1988.

77

Учебное издание

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

СОСТАВИТЕЛИ: Семенищев Евгений Александрович Воронин Вячеслав Владимирович

Ответственный за выпуск Н.В. Ковбасюк

ИД № 06457 от 19.12.01 г. Издательство ЮРГУЭС. Подписано в печать 18.01.13 г.

Формат бумаги 60x90/16. Усл. печ. л. 5. Тираж 40 экз. Заказ № 19.

ПД № 10-65175 от 05.11.99 г. Типография Издательства ЮРГУЭС.

346500, г. Шахты, Ростовская обл., ул. Шевченко, 147

78