3. Построение ацп

Предлагая обзор методов построения АЦП, отметим, что каж- дый тип архитектуры аналого-цифровых преобразователей имеет свои достоинства и недостатки.

Параллельные АЦП. Большинство высокоскоростных прило- жений используют параллельные АЦП из-за их высокой частоты преобразования, которая может достигать 3-5 ГГц и вплоть до 5 ГГц. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разря- дов, но встречаются также 10-разрядные версии.

Параллельные АЦП работают по простому принципу: все раз- ряды выходного кода вычисляются в них одновременно, т.е. па- раллельно. Аналоговый сигнал конвертируют с помощью линей- ки быстродействующих компараторов, а опорное напряжение на каждый из них подается с делителя напряжения. Полученный результат кодируется с помощью шифратора. Для улучшения точности преобразования используют УВХ с полосой пропуска- ния более 2 ГГц. Время преобразования незначительно зависит от

величины конвертируемого сигнала). Поэтому такие АЦП явля- ются самыми скоростными преобразователями (время задержки прохождения сигнала менее 1 нс).

Основные особенности параллельных АЦП:

• высокое быстродействие;

• незначительная зависимость времени преобразования от ве- личины входного сигнала;

• необходимость 2^N -1 компараторов для реализации N-

разрядного АЦП;

• сравнительно малое число (8-10) двоичных разрядов;

• большое энергопотребление скоростных компараторов;

• зависимость входной ѐмкости АЦП от напряжения на входе, поскольку входная ѐмкость компаратора является функцией его логического состояния, что снижает точность преобразования с увеличением частоты входного сигнала;

• низкая помехозащищѐнность;

• большой размеркристалла и дорогая схема. Последовательные АЦП переводят аналоговый сигнал в циф-

ровой последовательно от младшего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП.

Разновидностью АЦП последовательного типа является АЦП последовательного приближения. Это самый распространѐнный способ преобразования, когда необходима разрядность 12/14/16 бит и не требуется высокой скорости преобразования, а опреде- ляющими факторами являются невысокая цена и низкое энерго- потребление. В настоящий момент такие АЦП позволяют изме- рять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискре- тизации до 1 МГц.

В основе их работы лежит принцип дихотомии – последова- тельного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8. ... от ее

возможного максимального значения. Это позволяет для N- разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за N итераций и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, при N =10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет по- лучить с помощью таких АЦП до 10⁶ преобразований в секунду.

Такой АЦП содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. На каждом шаге пре- образования определяется по 1 бит искомого цифрового значе- ния, начиная от старшего значащего разряда (СЗР) и заканчивая младшим значащим разрядом (МЗР).

Метод последовательного приближения состоит в постепен- ном пошаговом накоплении в регистре выходных данных двоич- ного кодового слова, соответствующего соотношению входного напряжения и опорного напряжения. Цикл преобразования начи- нается с фиксации уровня входного аналогового напряжения в УВХ, а затем преобразователь начинает формировать содержи- мое регистра:

• в первом такте входной сигнал сравнивается споловиной опорного напряжения;

• если входной сигнал меньше половины опорного напряже- ния, то на следующем такте он сравнивается с четвертью опорно- го напряжения (т.е. половина опорного напряжения уменьшается на четверть); одновременно в РПП записывается старший разряд выходного кода, равный нулю;

• если же входной сигнал больше половины опорного напря- жения, то на втором такте он сравнивается с 3/4 опорного напря- жения (т.е. половина увеличивается на четверть); одновременно в РПП записывается старший разряд выходного кода, равный еди- нице;

• затем эта последовательность сравнений повторяется нужное число раз с уменьшением на каждом такте вдвое ступени измене-

ния эталонного напряжения (на третьем такте – 1/8 опорного напряжения, на четвертом – 1/16 и т.д.). В последнем такте вы- числяется младший разряд.

Аналого-цифровые преобразователи этого типа обладают од- новременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии УВХ погрешность зависит от входного сигнала (является переменной), поэтому все современные АЦП данного типа имеют встроенные УВХ. Данный способ построения АЦП имеет по сравнению с параллельными и интегрирующими АЦП достаточно высокую частоту преобразования (до нескольких МГц) и точность до 8-18 разрядов. К н е д о с т а т к а м данного метода относится большая чувствительность к импульсным по- мехам.

Д о с т о и н с т в а м и таких АЦП являются хорошее согласо- вание по времени измерения с применяемыми процессорами, не- высокая стоимость и сложность, простота в применении, отсут- ствие потоковой (конвейерной) задержки.

Для 12-разрядного АЦП минимальный интервал между отсче- тами составляет 10 мкс. На практике доступны 16-разрядные АЦП на частоту 3 МГц и 18-разрядные преобразо- ватели на 2 МГц.

АЦП последовательного счета является АЦП с единичными приближениями. Он состоит из компаратора, счетчика и ЦАП. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи с ЦАП: эталонное напряжение, ступенчато изменяющееся во времени. Входное напряжение последовательно сравнивается одним компаратором с несколькими эталонными уровнями напряжения, и в зависимости от результатов этого сравнения формируется выходной код. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи не сравняется с входным напряжением и переключится компаратор,

который своим выходным сигналом прекратит поступление так- товых импульсов на счетчик. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, счи- тывается с выхода счетчика.

Время преобразования таких АЦП является переменным и определяется входным напряжением.

Так, при N = 10 и f_пр = 1 МГц, максимальное время преобразо- вания равно 1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборокпорядка 1кГц.

Статическая погрешность этого типа преобразователей, опре- деляемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способ- ность до 20 двоичных разрядов.

Особенностью АЦП последовательного счета является не- большая частота дискретизации, достигающая нескольких кило- герц. Д о с т о и н с т в а АЦП данного класса – сравнительная простота построения,определяемая последовательным характе- ром выполнения процесса преобразования.

Принцип преобразования АЦП следящего типа основан на не- прерывном слежении с помощью реверсивного счѐтчика. Код, вырабатываемый счѐтчиком, преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с помощью компаратора. Результат сравнения управляет инкрементированием или декрементированием кода.

Н е д о с т а т к о м последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования.

В интегрирующих АЦП входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временном интервале, дли- тельность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродей- ствие таких АЦП.

Интегрирующие преобразователи имеют высокую разрешаю- щую способность – до 18 разрядов, но скорость преобразования – от несколькихсотен герц до нескольких килогерц.

Интегрирующий АЦП содержат генератор пилообразного напряжения, компаратор и счѐтчик времени. Пилообразный сиг- нал линейно нарастает до некоторого уровня, затем быстро спа- дает до нуля. В момент начала нарастания запускается счѐтчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счѐтчик; зна- чение считывается со счѐтчика и подаѐтся на выход АЦП.

Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простей- шие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам.

Двухтактный интегрирующий АЦП сочетает в себе высокое разрешение и высокое помехоподавление. Идея преобразования в таком интегрирующем АЦП гораздо менее сложна, чем в сигма- дельта АЦП. Он содержит генератор стабильного тока (ГСТ), компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счѐтчик им- пульсов.

При двухстадийном интегрировании преобразование прохо- дит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета. На пер- вом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаѐтся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. По прошествии этого времени вход интегратора отключается от вхо- да АЦП и подключается к ГСТ. Полярность генератора такова, что онуменьшаетзаряд, накопленныйв интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не умень- шится до нуля. Время разряда измеряется путѐм счѐта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого

заряда на интеграторе. Посчитанное число тактовых импульсов и будет выходнымкодом АЦП. Число импульсов за время разряда:

n = kU_вх /(RI₀),

где U_вх – входное напряжение АЦП; R – сопротивление резисто- ра, преобразующего входное напряжение в ток; I₀ – значение тока ГСТ.

Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Не д о с т а т к о м таких АЦП является низ- кая скорость преобразования. Дополнительным д о с т о и н- с т в о м является возможность построения АЦП, нечувствитель- ных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания), благодаря точному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал.

Аналого-цифровые преобразователи двухтактного интегриро- вания имеют высокие точность и разрешающую способность, а также сравнительно простую структуру.

Разновидностью АЦП интегрирующего типа являются дельта- сигма и сигма-дельта АЦП. Принцип дельта-сигма АЦП основан на нейтрализации среднего входного тока с помощью источника тока или заряда. Входное напряжение поступает на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением. В зависимости от выходного сигнала компаратора импульсы тока фиксированной длительности подключаются либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддержи- вать нулевой средний ток на суммирующем входе – принцип уравновешивания. Счѐтчик отслеживает число импульсов под- ключения в постоянный промежуток времени. Число подключе- ний будет пропорционально среднему входномууровню.

Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую спо- собность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преоб- разования. Так, при 16 разрядах можно получить частоту дискре-

тизации до 100 кГц, а при 24 разрядах эта частота составляет 2-3 кГц. При разрешении 12-16 разрядов имеют полосу частот до 1 МГц. Этот тип АЦП имеет самую высокую разрешающую спо- собность. Отметим, что с увеличением частоты преобразования понижается разрешающая способность.