Схемотехника / Учебники и методички / potehin

транзисторах. Величину тока можно задавать с помощью масштабирующих резисторов, установленных в эмиттерной или (истоковой цепи).

6.4. Аналоговые цифровые преобразователи (АЦП)

6.4.1.Классификация АЦП

Внастоящее время известно большое число методов преобразования напряжения – код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис. 6.10. представлена классификация АЦП по методам преобразования.

Аналого-цифровые преобразователи

Рис. 6.10. Методы аналого-цифровых преобразований

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

6.4.2 Параллельные АЦП

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 6.11 показана реализация параллельного метода.

Рассмотрим аналого-цифровое преобразование для 3-разрядного числа. С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Следовательно, необходимо семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.

Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

младшему значащему разряду АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й – в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором, диаграмма состояний которого приведена в таблице 6.2.

Рис. 6.11.Таблица состояний компараторов – а); функциональная схема параллельного АЦП – б)

Подключение приоритетного шифратора непосредственно к выходу АЦП может привести к ошибочному результату при считывании выходного кода. Рассмотрим, например, переход от трех к четырем, или, в двоичном коде, от 001 к 100. Если старший разряд вследствие меньшего времени задержки изменит свое состояние раньше других разрядов, то временно на выходе возникнет число 111, т. е. семь. Величина ошибки в этом случае составит половину измеряемого диапазона. Так как результаты аналого-цифрового преобразования записываются, как правило, в запоминающее устройство, существует вероятность получения неверной величины. Решить эту проблему можно, например, с помощью устройства выборки и хранения (УВХ).

Некоторые ИС параллельных АЦП, например, МАХ100, снабжаются быстродействующими УВХ, имеющими время выборки порядка 0,1 нс. Другой путь состоит в использовании кода Грея, характерной особенностью которого является изменение только одной кодовой позиции при переходе от одного кодового значения к другому. Наконец, в некоторых АЦП (например, МАХ1151) для снижения вероятности сбоев при параллельном аналогоцифровом преобразовании используется двухтактный цикл, когда сначала состояния выходов компараторов фиксируются, а затем после установления со-

252

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

стояния приоритетного шифратора, подачей активного фронта на вход синхронизации выходного регистра в него записывают выходное слово АЦП.

Как видно из таблицы 6.1, при увеличении входного сигнала компараторы устанавливаются в состояние 1 по очереди – снизу вверх. Такая очередность не гарантируется при быстром нарастании входного сигнала, так как изза различия во временах задержки компараторы могут переключаться в другом порядке. Приоритетное кодирование позволяет избежать ошибки, возможной из-за этого обстоятельства, поскольку единицы в младших разрядах не принимаются во внимание шифратором.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, 8-разрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП содержит 2N 1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.

6.5Последовательные АЦП

6.5.1АЦП последовательного счета

Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичным приближением и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 6.12). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой

– сигнал обратной связи с ЦАП. Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи VFB. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов fCLK равно

tmax 2N 1 fCLK .

Например, при N 10 и fCLK 1 МГц tmax 1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту дискретизации порядка 1 кГц.

Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных

253

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

импульсов необходимо выбирать с учетом завершения в них переходных процессов.

При работе без устройства выборки и хранения апертурное время совпадает с временем преобразования. Как следствие, результат преобразования чрезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. При наличии высокочастотных пульсаций среднее значение выходного кода нелинейно зависит от среднего значения входного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без УВХ пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более, чем на значение кванта преобразования.

а б

Рис. 6.12. АЦП последовательного счета: структурная схема – а); выходная характеристика – б

Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования. В настоящее время такие АЦП не изготавливаются в виде интегральных микросхем.

6.5.2 АЦП последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т. е. последовательного сравнения измеряемой величины с 12, 14, 18 и

т. д. от ее возможного максимального значения. Это позволяет для N- разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N 1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N = 10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105…106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей,

254

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте дискретизации до 200 кГц (например, DSP101 фирмы

Burr-Brown).

Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рис. 6.13. а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

а б

Рис. 6.13. АЦП последовательного приближения: функциональная схема а; временные диаграммы б

После подачи команды «Пуск» с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 10002 = 810). Благодаря этому, напряжение VFB на выходе ЦАП (рис. 6.13, б) равно

VFB 23h,

где h – квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий младшему значащему разряду (МЗР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток

VIN d323h

таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т. д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее VIN с точностью до 1 МЗР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на вы-

255

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

ходе компаратора, как это видно из рис. 11.9, б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tC ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 МЗР, времени переключения компаратора tK и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения tЗ . Сумма tK tЗ является величиной постоянной, а tC уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fCLK возможно уменьшение времени преобразования на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

При работе без устройства выборки и ранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразованием, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути, зависит от входного сигнала, т. е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный АЦП МАХ191, 16-разрядный АЦП AD7882 и др.) имеет встроенные устройства выборки и хранения или, чаще, устройства слежения и хранения (track-and-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения и хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.

Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно – параллельным и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

6.6. Интегрирующие АЦП

Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Действительно, выборка мгновенного значения входного напряжения обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке последовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время и вычислительные ресурсы. В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временном интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.

256

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

АЦП двухтактного интегрирования

Упрощенная схема АЦП, работающего в два основных такта (АЦП двухтактного интегрирования), приведена на рис. 6.14.

Рис. 6.15. Временные диаграммы процессов в АЦП двухтактного интегрирования

К моменту окончания интегрирования выходное напряжение интегратора составляет

257

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

где VIN(av ) – среднее за время t1 входное напряжение. После окончания ста-

дии интегрирования ключ S1 размыкается, а ключ S2 замыкается, и на вход интегратора поступает опорное напряжение VREF . При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению. На стадии счета выходное напряжение интегратора линейно уменьшается по абсолютной величине, как показано на рис. 6.15.

Стадия счета заканчивается, когда выходное напряжение интегратора переходит через нуль. При этом компаратор К переключается и счет заканчивается. Интервал времени, в котором проходит стадия счета, определяется уравнением

АЦП многократного интегрирования имеют ряд недостатков. Вопервых, нелинейность переходной характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Например, 13-разрядный AD7550 выполняет преобразование в четыре такта. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен снабжать довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и, как следствие, усиливает влияние помех.

Эти недостатки во многом устранены в конструкции сигма – дельта АЦП (в ранней литературе эти преобразователи назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов). Своим названием эти преобразователи обязаны наличию в них двух блоков: сумма-

дельта – модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма – дельта –

258

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

модулятора первого порядка приведена на рис. 6.16. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала VIN (t ) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.

Порядок модулятора определяется количеством интеграторов и сумматоров к его схеме. Сигма-дельта-модулятор второго порядка содержат два сумматора и два интегратора и обеспечивают большее отношение сигнал/шум, чем модуляторы первого порядка.

Сравнение сигма-дельта АЦП с АЦП многотактного интегрирования показывает значительные преимущества первых. Прежде всего, линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у аналогичной по стоимости АЦП многотактного интегрирования. Это объясняется тем, что интегратор сигма – дельта АЦП работает в значительно более узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя, на котором построен интегратор, сказывается значительно меньше.

Из-за наличия аналоговых ключей (по числу разрядов) ЦАП с матрицей R-2R имеют достаточно сложную структуру и относительно высокую стоимость, но при этом обладают наибольшей точностью.

ЦАП с матрицей двоично-взвешенных резисторов осуществляют преобразование с большей погрешностью, т.к. должного соотношения номиналов резисторов получить не удается. Однако при этом они обладают простой структурой и малой стоимостью.

Наиболее простую структуру имеют АЦП последовательного счета, наиболее сложную – АЦП с параллельным преобразованием, компенсируя это наибольшим быстродействием.

Значительную часть выпускаемых АЦП составляют аналого-цифровые преобразователи с поразрядным кодированием (кодоимпульсные) и двойного интегрирования. Для большинства применений они обладают достаточной точностью, быстродействием и относительно низкой стоимостью.

259

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Часть 5

Введение в микропроцессорную технику

Глава 7

Полупроводниковая память

7.1. Введение

Компактная микроэлектронная память находит широкое применение в самых различных по назначению электронных устройствах. Понятие «память» связывается с ЭВМ и определяется как ее функциональная часть, Предназначенная для записи, хранения и выдачи данных. Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ).

Микросхема памяти содержит выполненные в одном полупроводниковом кристалле матрицу-накопитель, представляющую собой совокупность элементов памяти (ЭП), и функциональные узлы, необходимые для управления мат- рицей-накопителем, усиления сигналов при записи и считывании, обеспечения режима синхронизации. Элемент памяти может хранить один разряд числа, т.е. один бит информации.

По назначению микросхемы памяти делят на две группы: для оперативных запоминающих устройств (RAM – англ. Random access memory) и для постоянных запоминающих устройств (ROM – англ. Read only memory). Оперативные запоминающие устройства предназначены для хранения переменной информации: программ и чисел, необходимых для текущих вычислений. Такие ЗУ позволяют в ходе выполнения программы заменять старую информацию новой. По способу хранения информации RAM память разделяют на статические и динамические. Статическая RAM память (SRAM – англ. Static RAM), элементами памяти в которых являются триггеры, способны хранить информацию неограниченное время (при условии, что имеется напряжение питания). Динамическая RAM память (DRAM – англ. Dynamic RAM), роль элементов памяти в которых выполняют электрические конденсаторы, для сохранения записанной информации нуждаются в её периодической перезаписи (регенерации). Оба типа RAM памяти являются энергозависимыми: при выключении питания информация разрушается.

Постоянные ЗУ предназначены для хранения постоянной информации: подпрограмм, микропрограмм, констант и т. п. Такие ЗУ работают только в режиме многократного считывания. По способу программирования, т. е. занесения информации, ROM память разделяют на масочные (заказные), программируемые пользователем (PROM – англ. Programmable ROM), перепрограммируемые (EPROM – англ. Erasable Programmable ROM) и электрически сти-

раемые (EEPROM – англ. Electrically erasable programmable ROM). Первые две разновидности ROM памяти программируют однократно, и они не допускают последующего изменения занесенной информации. По устройству накопителя ROM память существенно отличаются от RAM, прежде всего тем, что

260

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)