4.2.2 Аналого-цифровые преобразователи с непосредственным преобразованием.

Параллельные АЦП.

АЦП параллельного типа являются наиболее простыми по структуре, но сложными в техническом исполнении. Такое устройство представляет собой набор компараторов напряжения, на одни входы которых поступает входной сигнал, а на другие - эталонные напряженияи т.д., где- цена единицы младшего разряда (шаг квантования АЦП).

Упрощенная схема двухразрядного параллельного АЦП приведена на рис. 4.62. Будем считать, что при напряжении на верхнем входе компаратора большем, чем на нижнем, он формирует на выходе сигнал логической единицы, в противном случае – нуля. Таблица состояний выходов компараторов для двухразрядного АЦП при разных уровнях входного сигнала приведена на рис. 4.63. Число единиц в кодовой комбинации определяется соотношением, где- функция, определяющая целую часть аргумента. Это выражение совпадает с формулой, описывающей работу АЦП.

Для получения набора эталонных напряжений используется делитель на цепочке резисторов с одинаковыми сопротивлениями (рис. 4.64). Формируемые компараторами наборы сигналов трансформируются в двоичный код с помощью преобразователя, представляющего собой комбинационный узел, таблица истинности которого, карта Карно и структура для двухразрядного варианта приведены на рис. 4.65, 4.66 и 4.67.

Втаком АЦП все разряды кода формируются одновременно (параллельно) и его быстродействие, независимо от разрядности будет определяться лишь суммарными задержками в компараторах и преобразователе кода.

Дляразрядного устройства (рис. 4.68) потребуетсярезисторов с одинаковыми сопротивлениями икомпараторов напряжения.

Часто в состав параллельных АЦП вводят регистр, подключаемый к выходу преобразователя кода. Он фиксирует текущее значение кода до поступления следующего импульса тактирования. Это позволяет снизить влияние переходных процессов в компараторах на установление выходного кода АЦП.

Из-за большого количества элементов практическая реализация таких устройств достаточно сложна. Так как для реализации шестиразрядного АЦП потребуется 64 резистора и 63 компаратора, а в десятиразрядной структуре их должно быть 1024 и 1023.

Промышленностью выпускаются однокристальные параллельные АЦП - К1107ПВ1 (шестиразрядный с максимальной частотой преобразования 20 МГц), К1107ПВ4 (восьмиразрядный, частота преобразования 100 МГц), К1107ПВ6 (10 разрядный с частотой преобразования 15 МГц и др.).

Параллельно-последовательные АЦП.

Как и в случае с ЦАП, параллельный АЦП можно упростить, представляя его в виде блоков с небольшой разрядностью, выходные сигналы которых соответствующим образом обрабатываются. Соотношение между входным сигналом и кодом, формируемым АЦП можно записать следующим образом , где- напряжение, меньшее шага квантования. Для повышения точности преобразования (разрядности АЦП) это напряжение необходимо трансформировать в код, используя шаг квантования, где- разрядность преобразователя. В этом случае выходной код может быть представлен в виде. Без масштабирующего коэффициента выражение имеет вид.

Умножив числитель и знаменатель в формуле для кода остатка на , получим, откуда следует, что требуемая кодовая комбинация может быть сформирована путем обработки напряженияв АЦП с тем же шагом квантования, что и при получении старших разрядов кода.

Один из вариантов структуры комбинированного параллельного четырехразрядного АЦП приведен на рис. 4.69. Двухразрядный АЦП1 формирует старшие разряды выходного кода. Они поступают на вспомогательный цифроаналоговый преобразователь, выходное напряжение которого равно. В масштабирующем усилителе оно вычитается из входного сигнала и разностьумножается на четыре. Полученный сигнал преобразуется в двухразрядном параллельном АЦП2, формирующем младшие разряды кода.

Развивая эту идею, можно придти к структуре АЦП, где требуются лишь одноразрядные цифро-аналоговые преобразователи. Таким преобразователем служит обычный компаратор, у которого на один из входов подано напряжение, равное половине опорного. Если на его выходе должен формироваться единичный сигнал, в противном случае – нулевой. Здесь цена ЕМР будет равна, где- разрядность преобразователя.

Структура трехразрядного АЦП данной конфигурации приведена на рис. 4.70. Выходные сигналы компараторов управляют ключами, которые подают на инвертирующий вход суммирующего блока с коэффициентом передачи равным 2, напряжение, либо нуль. Пусть входное напряжение равно 6,6В, цена ЕМР – 1В,.

Так как , то на выходе первого компаратора сформируется единичный сигнал старшего разряда кода, и через первый ключ на верхний вход первого суммирующего блока поступит напряжение 4В. Сигнал на его выходе будет иметь величину (6,5В-4В)×2=5В. На выходе второго компаратора также сформируется единичный сигнал, а со второго суммирующего блока на нижний вход третьего компаратора поступит напряжение (5В-4В)*2=2В. Оно окажется меньше, поэтому на выходе третьего компаратора появится логический ноль, который и будет представлять младший разряд формируемого кода.

Кодовая комбинация для данной ситуации 110 соответствует числу 6, которое с учетом погрешности квантования, равно величине входного сигнала в вольтах.

Быстродействие такой структуры меньше, чем у параллельного АЦП из-за последовательной процедуры обработки и дополнительных задержек в и масштабирующих усилителях и ключах. Однако, такие АЦП требуют для реализации гораздо меньше элементов, чем параллельные. Так для построения восьмиразрядного АЦП понадобится 8 компараторов, а не 255.

Последовательные АЦП.

Втех областях, где высокое быстродействие не требуется, применяются АЦП последовательного типа. Такие АЦП имеют общую конфигурацию (рис. 4.71) и отличаются лишь алгоритмами подбора кода. Их особенностью является наличие вспомогательного цифроаналогового преобразователя, включенного в цепь обратной связи.

Принцип их действия заключается в том, что на вспомогательный цифроаналоговый преобразователь подаются меняющиеся определенным образом во времени кодовые комбинации. Напряжение с его выхода сравнивается со входным. В момент их равенства компаратор вырабатывает сигнал, под действием которого в устройство памяти записывается кодовая комбинация, соответствующая ситуации . При этом код будет соответствовать величине .

Структура АЦП последовательного типа приведена на рис. 4.72. Меняющиеся во времени коды, вырабатываемые формирователем кодовых комбинаций – ФКК, подаются на входы ЦАП. Компаратор К сравнивает выходное напряжение цифроаналогового преобразователя со входным и в момент, когда становится равным , код, поступающий на ЦАП фиксируется в устройстве памяти УП.

Частота вспомогательного генератора Г определяет интервалы между моментами поступления на входы ЦАП меняющихся кодовых комбинаций. Устройство управления формирует сигналы, синхронизирующие работу узлов АЦП.

В таком аналого-цифровом преобразователе может быть реализован как ждущий, так и циклический режим работы. В первом случае процедура преобразования реализуется однократно. Она начинается с приходом внешнего сигнала "Пуск", заканчивается в момент фиксации кода, соответствующего уровню входного сигнала. После этого АЦП прекращает работу и переходит в режим ожидания. Во втором случае, по завершении очередного этапа преобразования и фиксации кода, устройство управления вырабатывает сигнал, устанавливающий узлы АЦП в исходное состояние и цикл преобразования повторяется.

Разновидностью аналого-цифрового преобразователя последовательного типа является АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением (рис. 4.73). У него в качестве формирователя кодовых комбинаций используется двоичный суммирующий счетчик. Временные диаграммы работы такого устройства в циклическом режиме приведены на рис. 4.74.

Под действием тактирующих импульсов генератора Г счетчик формирует кодовые комбинации, соответствующие монотонно возрастающему ряду чисел 0,1,2,3…, а связанный с ним цифроаналоговый преобразователь - ступенчатое линейно возрастающее напряжение. Пока его величина меньше уровня входного сигнала, на выходе компаратора присутствует сигнал логического нуля. В момент времени, когда ситуация меняется на противоположную (), сигнал на выходе компаратора принимает единичное значение, код счетчика, соответствующий величинефиксируется в устройстве памяти, а процесс формирования ступенчатого пилообразного напряжения продолжается.

Коды счетчика меняются от 0 до М-1, где М - модуль счета, далее он возвращается в исходное состояние и начинается новый цикл аналого-цифрового преобразования. В данном устройстве время преобразования зависит от уровня входного сигнала, а период квантования определяется соотношением , где- интервал между тактирующими сигналами,- разрядность счетчика и ЦАП.

Быстродействие такого АЦП в основном определяется временем установления цифро-аналогового преобразователя, так как современные цифровые устройства имеют достаточно малые времена задержки. Отсюда следует, что максимальная частота тактирующих импульсов не может превышать величины , а минимальное значение периода квантования будет равно. При использовании в качестве ЦАП микросхемы К572ПА1, с временем установления 5 мкС, период квантования десятиразрядного АЦП окажется более 5 миллисекунд, то есть такое устройство способно осуществлять порядка 200 преобразований в секунду.

Всреднем повысить быстродействие АЦП рассмотренной структуры можно устанавливая счетчик в исходное состояние сразу после срабатывания компаратора. Для этого в состав устройства потребуется ввести формирователь Ф, который должен вырабатывать импульс сброса счетчика и инициировать следующий цикл преобразования (рис. 4.75).

Временные диаграммы работы такого АЦП представлены на рис. 4.76. Его особенностью является неравномерный период квантования, так как время преобразования будет зависеть от уровня входного сигнала.

Причиной низкого быстродействия рассмотренных устройств является используемый алгоритм подбора кода на входах ЦАП. Здесь значение кода каждый раз увеличивается на единицу и приближение к величине входного сигнала происходит с шагом равным цене единицы младшего разряда ЦАП.

Ускоренный процесс подбора кода реализован в АЦП поразрядного уравновешивания. Он имеет структуру, аналогичную вышерассмотренной, но вместо счетчика используется специальное устройство - регистр последовательного приближения – РПП (рис. 4.77). Набор сигналов на его выходах зависит как от значения бита, поступающего на вход, так и от текущего состояния разрядов.

Существуют различные, оптимальные по быстродействию, алгоритмы подбора кода. Один из них для четырехразрядного АЦП выглядит следующим образом. На первом шаге РПП формирует код 1 0 0 0, соответствующий половине максимального значения опорного напряжения, то есть код числа восемь.

Входное напряжение сравнивается с . В зависимости от величинывозможны две ситуации -, либо. Ситуацияна практике не реализуется, так как из-за флуктуаций напряжений и наличия помех, она сведется к одной из предыдущих.

В первом случае на выходе компаратора появится логическая единица, во втором - логический ноль. Они записываются в старший разряд РПП, а предыдущее значение кода сдвигается вправо. Таким образом, на втором шаге присформируется кодовая комбинация 1 1 0 0, соответствующая числу 12 и напряжению ЦАП, в противном случае - 0 1 0 0, что соответствует. Далее входное напряжение сравнивается с напряжением ЦАП, и в зависимости от результата сравнения логическая единица или ноль с выхода компаратора заносится в разрядРПП, а комбинация 1 0 0, присутствовавшая на разрядахвновь сдвигается вправо.

На следующем шаге результат сравнения окажется записанным в разряд, а на последнем - в. В итоге, как показано на рисунке 4.78, за четыре шага, исключая начальный этап, на выходе РПП могут сформироваться коды любого из чисел от 0 до 15, что соответствует возможности преобразования входного напряжения в пределах от 0 до, гдешаг квантования (цена единицы младшего разряда АЦП), равный.

При использовании АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением для этого понадобилось бы 15 шагов. В среднем выигрыш по количеству попыток подбора кода и, соответственно быстродействию, для разрядных устройств составитраз.

При входном напряжении 11,5порядок смены кодовых комбинаций будет следующим 8 - 12 - 10 - 11 – 11., то есть 1000→1100→1010→1011→1011.

Для - он станет таким: 8 - 4 - 6 - 5 - 5. Зависимости выходного напряжения ЦАП от времени для данных ситуаций приведены на рисунках 4.79 и 4.80. При рассмотренном алгоритме подбора кода производится округление квантованных уровней входного сигнала путем отбрасывания дробных по отношению к значений.

На практике обычно используется несколько иной алгоритм подбора кода. На начальном этапе РПП формирует код, соответствующий напряжению ЦАП, отличающемуся от на шаг квантования. Для четырехразрядного устройства это будет код 0 - 1 - 1 - 1. Дальнейший алгоритм функционирования такого устройства не отличается от вышеописанного.

Диаграмма возможных вариантов смены кодовых комбинаций для в этом случае выглядит следующим образом (рис. 4.81). При таком алгоритме напряжениюбудет соответствовать код числа 12, то есть здесь округление происходит путем увеличения кода входного напряжения до целого числа.

Теоретически при входном напряжении, соответствующем целому числу шагов квантования (к примеру), возникает неопределенность из-за отсутствия четкого логического уровня на выходе компаратора. Однако, вследствие наличия помех, значение входного сигнала на момент сравнения будет либо больше, либо меньше. Вследствие этого дальнейший процесс преобразования может пойти двумя путями и на выходе АЦП сформируется код числа 7, либо 8 (рис. 4.82).

Схема одного из вариантов двенадцатиразрядного АЦП последовательного приближения с использованием РПП типа К155ИР17, ЦАП К572ПА2 и таблица смены состояний регистра приведены на рисунке 4.83. Цикл преобразования начинается с поступлением на вход импульса нулевого уровня. При этом все разряды РПП, кроме старшего устанавливаются в единичное состояние, а- в нулевое. Выходное напряжение ЦАП, равноесравнивается со входным и на входерегистра последовательного приближения компаратором формируется сигнал, принимающий в зависимости от соотношения напряжений нулевое или единичное значение.

Тактирующим импульсом от вспомогательного генератора с частотой этот уровень заносится в старший разряд РПП, а содержимое остальных сдвигается вправо. На следующем шаге формируется результат сравнения в виде сигнала, который занесется в разряди т.д. На двенадцатом такте все разряды РПП окажутся заполненными результатами сравнения величины входного напряжения и напряжения цифроаналогового преобразователя. На этом же такте сформируется отрицательный перепад сигнала на выходе, который может быть использован для записи сформированного кода во вспомогательный буферный регистр.

Следующий цикл преобразования начинается с поступлением очередного сигнала «Пуск». Если, как показано штриховой линией на рис. 4.83, соединить выход С со входом «Пуск», то можно организовать циклический режим работы АЦП.

Современные интегральные АЦП поразрядного уравновешивания содержат в своем составе все рассмотренные элементы. Микросхема К1113ПВ1 представляет собой десятиразрядное устройство с временем преобразования 30 мкС, К572ПВ2 - двенадцатиразрядный АЦП, формирующий код выходного напряжения за 200мкС, К1108ПВ1 - десятиразрядный с временем преобразования 10 мкС, К1108ПВ2 - двенадцатиразрядный, у которого .

При отсутствии устройства выборки-хранения и высокой скорости изменения входного напряжения в АЦП последовательного приближения может наблюдаться так называемый срывом слежения. Он возникает, если, как показано на рисунке 4.84, с момента начала преобразования до его окончания входное напряжение меняется более, чем на . В состав современных АЦП обычно входит устройство выборки-хранения и данная ситуация не имеет места.

В ряде случаев возникает необходимость в последовательном выводе данных АЦП. Это может реализовываться с помощью преобразователей параллельного кода в последовательный. В то же время некоторые разновидности аналого-цифровых преобразователей позволяют работать в таком режиме без введения дополнительных элементов в их структуру. В частности в АЦП поразрядного уравновешивания для этой цели можно использовать сигнал, формируемый на выходе регистра последовательного приближения.

Он является достаточно универсальным устройством. Наличие инверсного выхода и входапозволяет наращивать его разрядность. РПП может функционировать как регистр сдвига, работать в режиме кольцевого счетчика и т. п.

Использование регистра последовательного приближения и цифрового компаратора позволяет создавать устройства для реализации различных функций. Схема узла для деления чисел представлена на рис. 4.85. Здесь в цепи обратной связи используется умножитель, на один вход которого подается код числа Х, а на другой - выходной код РПП. Результат работы умножителя сравнивается в компараторе с единицей. Цикл работы такого устройства закончится когда ХУ=Z, то есть при значении .

Структура устройства для извлечения квадратного корня приведена на рис. 4.86. Здесь процесс подбора кода закончится при . Как и при построении АЦП вместо регистра последовательного приближения можно использовать двоичный счетчик, однако процесс подбора требуемого кода будет достаточно длительным.

Еще одна разновидность последовательных АЦП относится к группе следящих. В них время преобразования зависит от скорости изменения входного сигнала и при достаточном быстродействии системы цикл преобразования может занимать один такт. Структурная схема АЦП следящего типа представлена на рис. 4.87. В отличие от ранее рассмотренных вариантов в качестве формирователя кода здесь используется реверсивный счетчик и может отсутствовать устройство памяти.

Временная диаграмма работы следящего АЦП выглядит следующим образом (рис. 4.88).

При входном напряжении меньшем напряжения цифроаналогового преобразователя компаратор формирует сигнал, переводящий счетчик в режим сложения и с приходом каждого тактирующего импульса напряжение, формируемое ЦАП, увеличивается на. В момент времени, когда оно становится больше входного изменяется сигнал компаратора и счетчик переключается в режим вычитания. Следующий тактирующий импульс вызовет уменьшение его выходного кода на единицу и, соответственно уменьшение навыходного напряжения ЦАП и т.д.

В таком устройстве сигнал ЦАП будет стремиться к уровню входного напряжения, то есть происходит отслеживание его величины. При этом в любой момент времени выходной код счетчика соответствует значению входного сигнала.

Если скорость изменения преобразуемого напряжения велика, то может возникнуть срыв слежения и АЦП потребуется несколько тактов для восстановления нормальной работы системы.

В следящем АЦП процесс преобразования происходит не циклически, а непрерывно и это позволяет отказаться от устройства для запоминания кода. Принципиальным отличием данного устройства от ранее рассмотренных является то, что в значение кода преобразуется не полный уровень сигнала, а его изменения.

Используя следящий АЦП на передающем конце линии связи и систему из реверсивного счетчика и ЦАП на приемном (рис. 4.89), можно по однопроводной линии передавать в цифровом виде текущее значение входного аналогового сигнала и восстанавливать его в точке приема. Для этого на приемной стороне устанавливается реверсивный счетчик аналогичный используемому в АЦП и по линии передаются сигналы компаратора, управляющие направлением счета.

Быстродействие следящего АЦП в основном зависит от времени установления ЦАП, которое определяет длительность такта. Максимальная скорость изменения входного сигнала при которой отсутствуют срывы слежения определяется соотношением .

АЦП с коммутируемыми конденсаторами.

Одной из проблем, возникающих при реализации аналого-цифровых преобразователей в интегральном исполнении, является формирование на кристалле кремния матрицы резисторов с заданным соотношением сопротивлений. В тоже время изготовление конденсаторов и подгонка их емкостей осуществляются проще. Интегральный конденсатор представляет собой слой кремния или металла определенной площади, размещенный на изолированном участке над подложкой. В качестве такого изолятора, как и при изготовлении МОП транзисторов, обычно используется двуокись кремния.

Подгонка емкости конденсаторов может производиться как за счет удаления части проводящего слоя (уменьшения площади обкладки) лазерным лучом, так и путем подключения параллельно основному корректирующих конденсаторов малой емкости. Используя в качестве элементов коммутации полупроводниковые ключи, можно осуществлять подгонку требуемых соотношений емкостей и самокалибровку АЦП в процессе работы.

Для построения- разрядного АЦП необходимоконденсаторов с емкостямии дополнительный конденсатор емкостью.

Структура двухразрядного узла АЦП с коммутируемыми конденсаторами приведена на рис. 4.90. В начале цикла преобразования устройство управления устанавливает все ключи в положение, показанное на рисунке. При этом они заряжаются до уровня входного сигнала, причем потенциал верхней обкладки будет отрицательным по отношению к потенциалу нижней (рис. 4.91.). Затем все ключи размыкаются и начинается процесс преобразования напряжения в код.

На первом шаге нижняя обкладка конденсатора с наибольшей емкостью подключается к источнику опорного напряжения, а нижние обкладки остальных конденсаторов заземляются. Это соответствует формированию устройством управления кодовой комбинации 1-0 (рис. 4.92) Происходит перераспределение зарядов между конденсаторами. Так как емкости справа и слева от общей точки их соединения одинаковы, то заряд, поступивший от источника опорного напряжения разделится между ними поровну и напряжение на входе компаратора станет равным(рис.4.92). В зависимости от уровня входного сигнала оно может оказаться как больше, так и меньше нуля.

Впервом случае на втором шаге преобразования конденсатор С остается подсоединенным к источнику опорного напряжения и к нему же подключается конденсатор матрицы емкостью(рис.4.93). Из-за перераспределения зарядов между конденсаторами с суммарной емкостьюипроизойдет повышение потенциала на входе компаратора на.

Этому соответствует формируемая устройством управления кодовая комбинация 1-1. Если суммарное напряжение окажется меньше нуля, то есть , то процесс преобразования на этом завершается. В случае, когда , устройство управления формирует нулевое значение младшего разряда, что соответствует кодовой комбинации 1-0.

Аналогичным образом происходит процесс коммутации конденсаторов и формирования кода, если величина входного сигнала меньше половины опорного напряжения. Полный граф состояний двухразрядного АЦП с переключаемыми конденсаторами представлен на рис. 4.94.