Информационные технологии в электронике

Исполнительные

механизмы

ЦАП

Рисунок 4.1 — Схема замкнутой системы управления с использованием ЭВМ

Параметрами, характеризующими объект управления, могут быть температура, давление, ток, напряжение и т.д. С помощью датчиков информация об этих параметрах представляется в аналоговом виде. Для дальнейшей обработки информации на ЭВМ эти сигналы нужно преобразовать в цифровую форму. Такое преобразование осуществляет аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ЭВМ обрабатывает полученную информацию и вырабатывает сигналы управления в цифровой форме. Чтобы эти сигналы воздействовали на исполнительные механизмы, они должны быть представлены в аналоговой форме, такое преобразование осуществляет цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

4.1 Цифроаналоговые преобразователи

Как уже было сказано ранее, ЦАП преобразует цифровые сигналы в аналоговые. При этом каждому значению цифрового сигнала в двоичной форме соответствует его аналоговое значение в единицах напряжения.

Большинство обычно используемых структур ЦАП (отличных от простого одноразрядного ЦАП, основанного на одном коммутаторе с использованием опорного напряжения) являются двоичными взвешивающими ЦАП или многозвенными схемами лестничного типа. Данные схемы, хотя и являются несложными по структуре, требуют весьма тщательного анализа. Мы рассматрим одну из простейших структур — делитель Кельвина, представленный на рис. 4.2.

79

Рисунок 4.2 — Простейшая схема ЦАП с выходом напряжения

N-разрядная версия этого ЦАП просто содержит 2N равных по величине последовательно соединенных резисторов. Выходной сигнал снимается с соответствующего отвода замыканием одного из 2N коммутаторов после декодирования N-разрядных данных. Современные ЦАП, использующие эту архитектуру, называются строковыми ЦАП.

Эта архитектура проста, имеет выход с изменяющимся значением выходного напряжения и изначально обеспечивает монотонный сигнал. Архитектура линейна, если все резисторы равны по значению, но может быть преднамеренно сделана нелинейной, если требуется нелинейный ЦАП. Так как в момент переключения работают только два коммутатора, эта архитектура обладает малым ложным сигналом (low-glitch).

Ее главным недостатком является большое количество резисторов, требуемых для обеспечения высокой разрешающей способности, поэтому в качестве отдельного устройства она обычно не используется, но, как мы увидим позже, применяется в роли компонента более сложных структур ЦАП.

Существует аналогичный ЦАП с токовым выходом, который также состоит из 2N резисторов, или источников тока, но подключенных теперь параллельно между входом опорного напряжения и виртуальным заземленным выходом (рис. 4.3).

80

Рисунок 4.3 — Простейшая схема ЦАП с токовым выходом

Вданном ЦАП, как только какой-либо резистор подключается к цепи, любые дальнейшие увеличения цифрового кода уже не могут его отключить. Таким образом, структура является изначально монотонной, независимо от погрешностей резисторов и, подобно предыдущему случаю, может быть сделана преднамеренно нелинейной там, где эта нелинейность требуется. Опять, как и в предыдущем случае, архитектура является редкостью, так как, если попытаться ее использовать для изготовления полного ЦАП, потребуется большое количество резисторов и коммутаторов. Но опять же она часто используется в качестве компонента

вЦАП более сложной структуры.

Вотличие от делителя Кельвина этот тип ЦАП не имеет уникального названия, хотя оба типа упомянуты как полно-декодирующие (fully decoded) ЦАП, ЦАП типа «столбик термометра» (thermometer) или строковые (string) ЦАП.

Полнодекодирующие ЦАП часто используются как компоненты более сложных ЦАП. Наиболее популярными являются сегментные ЦАП, где часть выходного сигнала полно-декоди-рующего ЦАП в дальнейшем вновь поступает на делитель. Данная структура используется потому, что полно-декодирующий ЦАП изначально монотонен, так что если последующий делитель тоже монотонен, в целом является таковым же и результирующий ЦАП.

Всегментных ЦАП с выходом по напряжению (рис. 4.4) сигнал подается с одного из резисторов делителя Кельвина на новый делитель Кельвина (в этом случае полная структура известна как «делитель Кельвина—Варлея») или на ЦАП какой-либо другой структуры.

Во всех ЦАП выходной сигнал представляет собой результат комбинации опорного напряжения и цифрового кода. В этом смысле все

81

ЦАП являются перемножающими, но многие из них хорошо работают только в ограниченном диапазоне Vref.

Настоящие перемножающие ЦАП (MDAC) ориентированы на работы в широком диапазоне Vref. Строгое определение перемножающего ЦАП требует, чтобы его диапазон опорного напряжения включал 0 В, и многие схемы, особенно лестничного типа с токовым режимом и с переключателями CMOS, допускают положительное, отрицательное и переменное значение Vref. ЦАП, которые не работают при значении Vref = 0 В, тоже полезны, и их типы, допускающие изменение значения Vref в пропорции 10:1 или около того, часто относят к перемножающим ЦАП (MDAC), хотя более точно их можно было бы назвать полуперемножающими ЦАП.

Рисунок 4.4 — Делитель Кельвина—Варлея

4.2 Аналого-цифровые преобразователи

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и является измерительным процессом, основанным на сравнении аналогового сигнала с эталонным напряжением, значение которого известно с высокой степенью точности.

Наиболее популярные АЦП для приложений цифровой обработки сигналов (ЦОС) базируются на пяти основных архитектурах: АЦП последовательного приближения, сигма-дельта АЦП, АЦП параллельной обработки (flash), АЦП конвейерной обработки (pipelined) и АЦП последовательного счета (Bit-Per-Stage). Мы же рассмотрим АЦП последовательного приближения и АЦП параллельной обработки.

82

4.2.1 АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения много лет были главным инструментом преобразования сигнала. Недавние усовершенствования разработчиков расширили диапазон частот дискретизации этих АЦП до мегагерц. Использование методов внутренних коммутируемых конденсаторов вместе с методами автокалибровки расширяет разрешающую способность этих АЦП до 16 разрядов на стандартных CMOS-процессах без необходимости в дорогой тонкопленочной лазерной подстройке.

Основные элементы АЦП последовательного приближения представлены на рис. 4.5.

Рисунок 4.5 — АЦП последовательного приближения

Этот АЦП выполняет преобразования в командном режиме. После установки устройства выборки-хранения УВХ (SHA) в режим хранения все разряды регистра последовательного приближения РПП (SAR) сбрасываются в «0», кроме старшего значащего разряда (MSB), который устанавливается в «1». Выходной сигнал регистра последовательного приближения (РПП) подается на внутренний ЦАП. Если выходной сигнал ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае он остается установленным. Затем следующий старший значащий разряд устанавливается в «1». Если сигнал на выходе ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае бит остается установленным. Описанный процесс поочередно повторяется для каждого разряда. Когда все разряды в соответствии с входным сигналом будут установлены в «0»

83

или в «1», содержимое регистра последовательного приближения придет в соответствие со значением аналогового входного сигнала и преобразование завершится. Если рассматриваемый АЦП имеет выход в виде последовательного порта, то последовательно поступаемые биты можно непосредственно передавать на выход.

Окончание преобразования индицируется сигналами end-of-convert (EOC), data-ready (DRDY) или BUSY (фактически, отсутствие сигнала BUSY индицирует окончание преобразования). Полярности и наименование этого сигнала могут отличаться для различных АЦП последовательного приближения, но основная концепция сохраняется. В начале интервала преобразования логический уровень сигнала высокий (или низкий) и остается в этом состоянии, пока преобразование не закончено. Затем уровень сигнала становится низким (или высоким). Фронт сигнала индицирует наличие выходных данных.

N-разрядное преобразование осуществляется за N шагов. На первый взгляд может показаться, что 16-разрядному преобразователю для выполнения преобразования требуется в два раза больше времени, чем 8- разрядному преобразователю, но это не так. В 8-разрядном преобразователе перед принятием решения о значении очередного бита ЦАП должен установить на своем выходе сигнал с точностью, соответствующей 8 разрядам, в то время как ЦАП 16-разрядного преобразователя должен установить сигнал на своем выходе с точностью, соответствующей 16 разрядам, что занимает значительно больше времени. На практике 8-разрядный АЦП последовательного приближения может затрачивать на преобразование несколько сотен наносекунд, в то время как 16-разрядному АЦП требуется несколько микросекунд.

Обратите внимание, что общая точность и линейность АЦП последовательного приближения определяется, прежде всего, внутренним ЦАП. До недавнего времени в большинстве прецизионных АЦП последовательного приближения для достижения желательной точности и линейности использовалась тонкопленочная лазерная подгонка. Процесс подстройки тонкопленочного резистора увеличивает стоимость системы, а значение сопротивления тонкопленочного резистора может измениться при механическом воздействии на корпус микросхемы.

84

Рисунок 4.6 — Трехразрядный ЦАП с коммутируемыми конденсаторами

По этим причинам в более новых АЦП последовательного приближения стали популярными ЦАП с коммутируемыми конденсаторами (или конденсаторами с перераспределением заряда). Преимущество ЦАП с коммутируемыми конденсаторами состоит в том, что их точность и линейность определяются, прежде всего, качеством фотолитографии, которое, в свою очередь, зависит от площади конденсаторных пластин, емкости и соотношения емкостей конденсаторов. Кроме того, для достижения высокой точности и линейности конденсаторы малой емкости могут подключаться параллельно основным конденсаторам или отключаться от них в соответствии с алгоритмом автокалибровки без необходимости применения тонкопленочной лазерной подстройки.

4.2.2 Параллельные (flash) АЦП

Параллельные АЦП (Flash АЦП) являются самым быстрым типом АЦП, использующим большое количество компараторов, работающих параллельно. N-разрядный параллельный АЦП состоит из 2N резисторов и 2N – 1 компараторов, размещенных как это показано на рис. 4.7.

85

Рисунок 4.7 — Параллельный (flash) АЦП

На каждый компаратор подается опорное напряжение, значение которого для соседних точек отличается на величину, соответствующую одному младшему значащему разряду (LSB) (более старшие разряды — в верхних по схеме элементах). При фиксированном входном напряжении все компараторы, размещенные на схеме ниже некоторой точки, имеют входное напряжение выше опорного напряжения. На их логическом выходе присутствует «1». У всех же компараторов выше этой точки опорное напряжение больше входного, и их логический выход установлен в «0». Поэтому 2N – 1 выходов компаратора ведут себя аналогично ртутному термометру, и выходной код такого АЦП иногда называют «кодом термометра». В действительности, было бы непрактично выводить 2N – 1 линий данных наружу, поэтому они преобразуются шифратором в N-разрядный двоичный код.

Входной сигнал подается на все компараторы сразу, поэтому «выход термометра» имеет задержку по отношению к входному сигналу, равную задержке только одного компаратора и N-разрядного кодера. Это соответствует задержке нескольких логических элементов, так что процесс преобразования осуществляется очень быстро. Но такая архитектура предполагает использование большого числа резисторов и компараторов, имеет ограничение по максимальной разрешающей способности, и чтобы обеспечить высокое быстродействие, каждый компаратор должен иметь

86

довольно высокий уровень потребления энергии. Следовательно, к проблемам параллельных АЦП относятся ограниченная разрешающая способность, высокий уровень рассеивания энергии вследствие большого количества высокоскоростных компараторов (особенно на частотах дискретизации больших, чем 50 MSPS) и относительно большие размеры кристалла (и потому — высокая стоимость). Кроме того, для питания быстрых компараторов необходимым током смещения цепочка опорных резисторов должна иметь низкое сопротивление, чтобы этот источник давал весьма большие токи (> 10 мА).

На практике реализуются преобразователи до 10 разрядов, но обычно параллельные АЦП имеют разрешающую способность, соответствующую 8 разрядам. Их максимальная частота дискретизации может достигать 1 ГГц при ширине полосы пропускания по уровню полной мощности более 300 МГц.

Как упоминалось ранее, полоса пропускания по уровню полной мощности не обязательно равна полосе, соответствующей полной разрешающей способности. Идеальный компаратор параллельного преобразователя имеет хорошие характеристики и по постоянному, и по переменному току. Поскольку синхронизирующий строб подается на все компараторы одновременно, параллельный преобразователь автоматически реализует схему выборки-хранения на своем входе. На практике существуют различия в задержках компараторов и другие рассогласования по переменному току, которые вызывают уменьшение эффективного числа разрядов (ENOB) на высоких входных частотах. Это происходит потому, что скорость нарастания сигналов непосредственно на входах сопоставима со временем преобразования компаратора.

Вход параллельного АЦП непосредственно подключается к большому количеству компараторов. Каждый компаратор имеет изменяющуюся в зависимости от напряжения емкость перехода, и наличие этой емкости, зависящей от сигнала, приводит в большинстве параллельных АЦП к уменьшению эффективного числа разрядов (ENOB) и к большим искажениям навысокихвходныхчастотах.

Добавление одного разряда к общей разрешающей способности параллельного преобразователя требует удвоения количества компараторов! Это ограничивает практическую разрешающую способность высокоскоростных параллельных преобразователей до 8 разрядов, так как при более высоких разрешающих способностях слишком велико выделение тепла.

4.3 Цифровые фильтры

Цифровая фильтрация является одним из наиболее мощных инструментальных средств ЦОС. Кроме очевидных преимуществ устранения ошибок в фильтре, связанных с флуктуациями параметров пассивных компонентов во времени и по температуре, дрейфом ОУ (в

87

активных фильтрах) и т.д., цифровые фильтры способны удовлетворять таким техническим требованиям по своим параметрам, которых, в лучшем случае, было бы чрезвычайно трудно или даже невозможно достичь в аналоговом исполнении. Кроме того, характеристики цифрового фильтра могут быть легко изменены программно. Поэтому они широко используются в телекоммуникациях, в приложениях адаптивной фильтрации, таких, как подавлениеэхавмодемах, подавлениешумаираспознаваниеречи.

Процесс проектирования цифровых фильтров состоит из тех же этапов, что и процесс проектирования аналоговых фильтров. Сначала формулируются требования к желаемым характеристикам фильтра, по которым затем рассчитываются параметры фильтра. Амплитудная и фазовая характеристики формируются аналогично аналоговым фильтрам. Ключевое различие между аналоговым и цифровым фильтрами заключается в том, что вместо вычисления величин сопротивлений, емкостей и индуктивностей для аналогового фильтра, рассчитываются значения коэффициентов для цифрового фильтра. Иными словами, в цифровом фильтре числа заменяют физические сопротивления и емкости аналогового фильтра. Эти числа являются коэффициентами фильтра, они постоянно находятся в памяти и используются для обработки (фильтрации) дискретных данных, поступающих от АЦП.

Цифровой фильтр, работающий в реальном масштабе времени, оперирует с дискретными по времени данными в противоположность непрерывному сигналу, обрабатываемому аналоговым фильтром. При этом очередной отсчет, соответствующий отклику фильтра, формируется по окончании каждого периода дискретизации. Вследствие дискретной природы обрабатываемого сигнала на отсчеты данных зачастую ссылаются по их номерам, например отсчет 1, отсчет 2, отсчет 3 и т.д. На рис. 4.8 представлен низкочастотный сигнал, содержащий высокочастотный шум, который должен быть отфильтрован.

Рисунок 4.8 — Цифровая фильтрация