Учебное пособие по АЦП (1014648), страница 2
Текст из файла (страница 2)
1, при увеличении входного сигнала компараторы устанавливаются в состояние 1 поочереди - снизу вверх. Такая очередность не гарантируется при быстром нарастании входного сигнала, так какиз-за различия во временах задержки компараторы могут переключаться в другом порядке. Приоритетноекодирование позволяет избежать ошибки, возможной в этом случае, благодаря тому, что единицы в младшихразрядах не принимаются во внимание приоритетным шифратором.Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например,восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при временизадержки прохождения сигнала не более 1,2 нс.
Недостатком этой схемы является высокая сложность.Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 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.Последовательно-параллельные АЦППоследовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокоебыстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦПзанимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельнымиАЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют намногоступенчатые, многотактные и конвейерные.Многоступенчатые АЦПВ многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве.
В качествепримера на рис. 4 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разрядавыходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4разрядного быстродействующего ЦАП. Во многих ИМС многоступенчатых АЦП (AD9042, AD9070 и др.) этотЦАП выполнен по схеме суммирования токов на дифференциальных переключателях, но некоторые (AD775,AD9040A и др.) содержат ЦАП с суммированием напряжений.
Остаток от вычитания выходного напряженияЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше,чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 вцифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядногопреобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.5Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому жевходному напряжению Uвх(tj).
Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временнoезапаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживатьпостоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.Многотактные последовательно-параллельные АЦПРассмотрим пример 8-разрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типумноготактных (рис.
5). Здесь процесс преобразования разделен во времени.Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного АЦП, квант h которого определяется величинойопорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h1=0,16 В. В это время входной кодЦАП равен нулю.
Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четырестарших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряжениеАЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h2=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании извходного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходногослова.Очевидно, что используемые в этой схеме 4-разрядные АЦП и ЦАП должны обладать 8-разряднойточностью, в противном случае возможен пропуск кодов, т.е. при монотонном нарастании входного напряжениявыходной код АЦП не будет принимать некоторые значения из своей шкалы.
Так же, как и в предыдущемпреобразователе, входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным,для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения.Быстродействие рассмотренного многотактного АЦП определяется полным временем преобразования 4разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП спогрешностью, не превышающей 0,2...0,3 кванта 8-разрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входитв общее время преобразования дважды. В результате при прочих равных условиях преобразователь такого типаоказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше.
Однако он проще и дешевле.По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП иАЦП последовательного приближения. Примерами многотактных АЦП являются трехтактный 12-разрядныйAD7886 со временем преобразования 1 мкс, или трехтактный 16-разрядный AD1382 со временем преобразования2 мкс.6Конвейерные АЦПБыстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвейерный принципмногоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП (рис.
4) вначалепроисходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет периодустановления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во времяпреобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1.
Введя элементы задержки аналогового ицифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП, схема 8-разрядноговарианта которого приведена на рис. 6.Роль аналогового элемента задержки выполняет устройство выборки-хранения УВХ2, а цифрового четыре D-триггера.
Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один периодтактового сигнала CLK.Сигналы выборки, формируемые из тактового сигнала, поступают на УВХ1 и УВХ2 в разные моментывремени (рис. 7). УВХ2 переводится в режим хранения позже, чем УВХ1 на время, равное суммарной задержкераспространения сигнала по АЦП1 и ЦАП. Задний фронт тактового сигнала управляет записью кодов в Dтриггеры и выходной регистр. Полная обработка входного сигнала занимает около двух периодов CLK, ночастота появления новых значений выходного кода равна частоте тактового сигнала.Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повыситьмаксимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП.
То, что при этом сохраняется суммарная задержкапрохождения сигнала, соответствующая обычному многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, неимеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно7многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить числоступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступенейпреобразования уменьшает сложность АЦП.
Действительно, например, для построения 12-разрядного АЦП изчетырех 3-разрядных необходимо 28 компараторов, тогда как его реализация из двух 6-разрядных потребует 126компараторов.Конвейерную архитектуру имеет большое количество выпускаемых в настоящее время многоступенчатыхАЦП. В частности, 2-ступенчатый 10-разрядный AD9040А, выполняющий до 40 млн. преобразований в секунду(МПс), 4-ступенчатый 12-разрядный AD9220 (10 МПс), потребляющий всего 250 мВт, и др. При выбореконвейерного АЦП следует иметь в виду, что многие из них не допускают работу с низкой частотой выборок.Например, изготовитель не рекомендует работу ИМС AD9040А с частотой преобразований менее 10 МПс, 3ступенчатого 12-разрядного AD9022 с частотой менее 2 МПс и т.д.
Это вызвано тем, что внутренние УВХ имеютдовольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодомприводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования.АЦП последовательного счетаЭтот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичнымиприближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 8).
На один вход компаратора поступаетвходной 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 счетчикаподается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи U ос. Процесспреобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжениеми переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов насчетчик.
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. Егомаксимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичногосчетчика N и частоте тактовых импульсов fтакт равноtпр.макс=(2N – 1) / fтакт.(5)Например, при N=10 и fтакт=1 МГц tпр.макс=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборокпорядка 1 кГц.Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностьюиспользуемых ЦАП и компаратора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
