Чижма С.Н. - Основы схемотехники 2008 (1055377), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Такой фильтр !рис.18.1) получил название антиалайзинговый фильтр. В общем случае выбор частоты дискретизации будет зависеть от вид» сигнала выборки и допустимого уровня погрешностей, возникающих при восстановлении исходного сигнала по его отсчетам. Все это требует принимать во внимание при выборе частоты дискретизации, которая определяет требуемое быстродействие АЦП.
При дискретизации возникает погрешность, обусловленная конечным вре-::л менем одного преобразования и неопределенностью момента времени его оконча-' ':".'. ния. При равномерной дискретизации отсчеты берутся с периодом Тв, однако в .;;:.':; зги моменты только начинается процесс преобразования. Окончание мого процесса зависит от времени преобразования АЦП и скорости изменения входной величины. В результате вместо равномерной дискретизации получается дискретизацияя с переменным периодом. Погрешность, обусловленная зтим зффектом, называется апертурной. Апертурным временем ы называют время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, ' ' к которому она относится (рис. ! 9 4).
С некоторой долей погрешности можно считать апертурное время ы временем преобразования АЦП. Обычно для оценки апертурной погрешности используют синусоид»льный сигнал, в котором относительная апертурная погрешность !!9,2) БА Айя ' Йlмисг И 14 Сравнивая период дискретизации с апертурным временем, получаю» (!У.з) Это означает, что для снижения апертурной погрешности приходится в д! 3„увеличивать частоту преобразования АПП. Так, например, при дискрс" ~изации гармонического сигнала с частотой 1О кГц по теореме Котельникова 260 4 -"', '..и ~но.иметь максимальную частоту дискретизации АЦП, равную 20 кГц огрвшностн д~ = 1% время преобразования АЦП должно равно О, ! 5 мко ,";Д:='~з:=;:-..ф:,ЗМГН) 00 ! У, /„„, ! Рис.19.4.
Апертурная погрешность '»",я., - Яйлнчне апертурной погрешности приводит к тому, что дискретизация с .-."-':.';~~ЩЫо самого АЦП вызывает существенное расхождение требований между ;,йтдпуродействием АЦП и периодом дискретизации. Таким образом, даже для '';,'; й~рЗ!Низтвльно узкополосных сигналов требуется быстродействующий АЦП !-".:-',.',;" „';, Частнчноэту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения ':;:4язвХ); имеющих малое апертурное время.
1!в а десятилетия назад схемы ди с- „!дувтзззацнн АЦЙ создавались отдельно из УВХ и АЦП. Проектирование интер'„; "фвйсвбьшотрудным делом, и главная причина этого заключалась в дрожании ,,,"";;-"'Ж~рзурьг в УВХ. Сегодня большинство АЦП имеют встроен н ыс У ВХ, что значи- ,'.,'-~~69 ю улучшает их характеристики Йроцесс квантования аналогового сигнала представляег собой необрати !";,'::;;;: ~преобразование и сопровождается появлением погрешностей, Цифровое * ..':"'"д41вФ41стввпение сигнала всегда дискретно, число его возможных состояний '."-:,":!:„:~~фФЩляется разрешающей способностью, те.
разрядностью АЦП. Разность " '- ',".-МЭЙДА!ЩЪИ соседними значениями кванто ванной величины называется шагом ; ";;„-':Мявззтрввння й. Характеристика преобразования аналоговой величины в кванто-;;:-':-'"~~~3Фудз показана на рис. 19.5, а. Максимальная погрешность, которую имеет -:,"-"::АРЛ.ЙРН квантовании входного сигнала, равна .ь 0,56 (рис.! 9.5, б). любой ~:-"';::,":южоГОвый сигнал, поступающий на вход идеально~о ч-разрядного АЦ11, :„.: '„-';Ф~~воднт щум квантования.
Среднекваарагическое значение шума приблизи- :,'.:;:'!';:;;!'„"';-,тМъно:равно весу Ь1чг!2. '-,'*,"ч"" Фнощеннесреднеквадратичногозначения синусоидальногосигнала,соот ~1~~ФВузощего полной шкале, к среднеквадратичному значению шума кванто .',''::~2вн21явнвыраженное в децибелах, равно Б)яр. = 6,021ч ч 1,76 дБ П 9.4) 261 кама Рис.19.5. Характеристика идеального квантователя (а) и погрешность квантования(б) Увеличение разрядности АЦП на единицу дает увеличение соотношеиия,,-.',;: сигнал1шум примерно на 6 дБ.
Для идеального 16-ти разрядного АЦП соотношение сигнал)шум составляет примерно 98 дБ. В реальных АЦП погрешности линейности характеристики, шумы элементов схемы и прочие инструыен "альные погрешности уменьшают эту величину. Параметры АЦП характеризуют преобразователь в статическом, динамическом режимах, а также определяют погрешности квантования.
Погрешность квантования АЦП определяе гся главным образом соотно. шением сигнал(шум 8МК. Статические параметры АЦПв основном соответствую~ статическим " параметрам ЦАП, описанным в предыдущей главе. Динамические параметры. Динамические погрешности связаны с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. 1. Максимальная частота дискретизации — это наибольшая частота, .с которой осушествляются выборки входного сигнала при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы 2. Врезт преобразования — это время, отсчитываемое от начала импульса' '.- ",'::, дискрстизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке.
Для одних АЦП, например последовательного счета, эта величина является переменой, зависяшей от значения .;! входного сигнала. Для других, например параллельных или последовательпопарылельных, а также АЦП последовательного приближения, время преобразования примерно постоянно. При работе без уВХ время преобразования явля гся апертурным временем. 3 Время выборки (стробирования) — время, втечение которого происходит образование одного выборочного значения.
При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП. 262 ;:.-";;: „"„„. ~уздеотаупг несколько типов АЦП, хотя в пределах каждого типа существует .во вариаций, Принято различать параллельные, последовательные и ;";-2 ':, ': оввтепьно-параллельные АЦП.
К последовательным относятся АЦП после : „' ~~ю'приближения, последовательного счета и интегрирующие, включа ':;;; -'.:-';:::.-""-"'в:себя'двухтакгные АЦП и сигма-дельта АЦП. Последовательно-параз :.,'-"':;:~ ~-':~~упЕп представлен наиболее распространенным конвейерным АцП ';,:-::- ~ ~!::."р~зднчные типы АЦП оборудования используют различные типы АЦП.
На- ») ,":„"-:!, ' В цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, ", К.,~;„"„:~д„'рвбуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большое . '-' =~у~~уф~ще,'но не требуется высокая скорость измерения. Системы сбора данных .;,, "'.;:~~~~~~ф Ндзначения по скорости дискретизации и разрешающей способности ;;',;:"~~4~о занимают промежуточное положение. В оборудовании этого типа ';,';.-':,: ~ьхз)потея Ацп последовательного приближения или сигма-дельта Ацп .
";-".~йнхавзззуют также параллел ьные АЦП для прил евгений, т ребую ших скоростной : рб~вбпоткн аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦп с высоким разрешением .-':::- 9йбдгейбйодавленнем. На рис. 19.б показаны возможности основных архитектур .'; -;вфптвтейМостн от разрешения и частоты дискретизации 19.2.
АЦП параллельного типа ",'1 .' ":,."" Параллельные АЦП являются самым быстрым типом АЦП, исполь ° .,'-,;:,'-'Зу~рфйм большое количество комцараторов, работающий параллельно 'М н ч.1 .:,:~~д~йгдный параллельный АЦП состоит из 2' резисторов и 2 ком параторов . ';:: ..фФФЛ9юп), На каждый компаратор подается опорное напряжение, значение которого :":.,"ВявЖседннхточек отлнчаегся иа величину, соответствующую одному младшему ',.„:,; 9~3РЯдУ (МЗР).
При фиксированном входном напряжении все компараторы, в м н а а я н но ~~ н~ ~мк ~м ~ам м на г..., * )9бэ Типы АЦП вЂ” разрешение в зависимости от частоты дискретизации 263 размещенные на схеме ниже некоторой точки, имеют напряжение выше опорного напряжения. На их логическом выходе присутствует «!в, У всех компарш оров выше этой точки опорное напряжение больше входного, и их логический выход установлен в иОв.
Позициониьа код с компараторов подается на шифратор, где ои преобразуется в Х-разрядный двоичный код. Входной сигнал подается на все компарягоры сразу. поэтому схема форин. руст выходной код, равный времени задержки толька одного компаратора и шифратора. Это соответствует задержке нескольких логических элементов, полому процесс преобразования осуществляется очень быстро.
Благодаря одновремен ной работе компараторов параллельные АЦП являются самьвии быстрыми Такая структура предполагает наличие большого количества резисторов ', .':.'':,' и компараторов, имеет ограничение по разрешающей способности. Для обеспечения высокого быстродействия каждый компаратор должен иметь высокий '"..":", уровень потребления энергии.
Таким образом, к' недостаткам параллельных:;:-!! АЦП относится ограниченная разрешающая способность и большая рассеиваемая мощность (единицы ватт), что обусловливает большие размеры кристалла и высокую стоимость (сотни долларов). Кроме того, для питания быстрых компараторов необходимым током смещения, цепочка опорных резисторов, .::::;:"' должны иметь низкое сопротивление, чтобы этот источник давал значительные,:.!::.' токи. Еше одним недостатком схемы является высокая сложность, обусловлен- .' - ': ная большим количеством резисторов и компараторов. Как правило, параллельные АЦП имеют разрешающую способность, соот- '.:!;:: ветствуюшую 8-! О разрядам при максимальной частоте дискретизации до ! ГГц. ' -':~:,, х ь э'с вхм ц ФР «оз 6ЫЮД Рис.
! 9 7. Параллельный АЦП 264 Ю.З. АЦП последовательного приближении ', ггрвди АЦП последовательного действия, являющихся наиболее мед...' '~зе1ии преобразователями, АЦП последовательного приблюкения является ' ",::,'"::": ябй1яеа распространенным преобразователем. часто его называют также АЦп '.' ." „'ьг~~ьгььРЯ1шого УРавновешиваниЯ ',, ф йовову работы этого класса АЦП лежит алгоритм, который позволяет ,'„~~йвшяздательио сравнивать входной сигнал с 1!2 его полной шкалы, где М— ,;"!':,~фйф.,р1яра сравнения. Таким образом, на первом шаге входной сигнал срав ;,,:, ':;~$~фф с Половиной его максимального сигнала, результат сравнения поступает ; „."Л~~~цйпд, ца втором шаге входной сигнал сравнивается с четвертью максималь;:,, вдир',Вмянцда. Прн ЭТОМ КОЛИЧЕСТВО ШаГОВ раВНО раЗрядНОСтИ АЦП, ЧтО даЕт бОЛЬ""'."~ж~я1выигрыш в быстродействии ь~, ДхКма АЦП последовательно~о приближения и временные диаграммы, ''И1~ПВЗЦГЮЩЦЕ ЕГО Работу, приведены на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
