· Параллельные АЦП прямого преобразования, полностью параллельные АЦП, содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр, тогда обработка кода осуществляется программно, либо на аппаратный логический шифратор, аппаратно генерирующий нужный цифровой код в зависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП, в общем случае, зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений. Параллельные АЦП прямого преобразования — самые быстрые, но обычно имеют разрешение от 8 бит, как цифровые осциллографы, так как влекут за собой большие аппаратные затраты ({\displaystyle 2^{n}-1=2^{8}-1=255} компараторов). АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени. Профессиональные модели могут иметь разрешение до 14 бит и выше].
· Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования (Subranging Direct-conversion (Flash) ADC) частично последовательные АЦП. Были предложены R. Staffin и R. Lohman R. в 1956 году (Staffin and R. Lohman, «Signal Amplitude Quantizer», U.S. Patent 2,869,079, Filed December 19, 1956, Issued January 13, 1959). Немного уменьшая быстродействие позволяют значительно уменьшить количество ОУ до {\displaystyle k\cdot (2^{n/k}-1)+k-1}, где n — число битов выходного кода, а k — число параллельных АЦП прямого преобразования. При 8 битах и 2 АЦП потребуется 31 ОУ. Используют два (k=2) или более шагов-поддиапазонов. При k=2 преобразователь называется Half-Flash (Subranging) ADC. Второй, третий и т. д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путём оцифровки этой ошибки. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница умножается на {\displaystyle 2^{n/k}}e ndJW0vdq8+z3sDYSV0zD2ilZlWCgBnzGicSGgac8s7ImrOzkrVaY9O9aAePeDNry1VC0Y/9UZCug qxRAJ2AeLEgQCiHfY9TAskmwejcnkmJUPuVA+cgPQ7Od7CXsDQK4yG3LdNtCeApQCdYYdeJIdxtt Xks2KyCSbxvDxTE8k5xZCpsn1GW1flywUGwl6+VnNtb23XrdrejD3wAAAP//AwBQSwMEFAAGAAgA AAAhAEyg6SzYAAAAAwEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj0FLw0AQhe+C/2EZwYvYjSJSYjZF CmIRoZhqz9PsmASzs2l2m8R/36ke9DLD4w1vvpctJteqgfrQeDZwM0tAEZfeNlwZeN88Xc9BhYhs sfVMBr4pwCI/P8swtX7kNxqKWCkJ4ZCigTrGLtU6lDU5DDPfEYv36XuHUWRfadvjKOGu1bdJcq8d NiwfauxoWVP5VRycgbFcD9vN67NeX21Xnver/bL4eDHm8mJ6fAAVaYp/x3DCF3TIhWnnD2yDag1I kfgzxbubi9r9bp1n+j97fgQAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQB AAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQBFPpIh9AIAAOoF AAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQBMoOks2AAA AAMBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAE4FAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAUwYA AAAA " filled="f" stroked="f"> и подвергается следующему преобразованию. Полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выходного цифрового значения. АЦП этого типа медленнее параллельных АЦП прямого преобразования, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования применяется конвейерная работа параллельных АЦП.
· Конвейерная работа АЦП (Pipelined Subranging Direct-conversion (Flash) ADC), применяется в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в отличие от обычного режима работы параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в котором данные передаются после полного преобразования, при конвейерной работе данные частичных преобразований передаются по мере готовности до окончания полного преобразования. В 1966 году Kinniment и др. предложили архитектуру параллельно-последовательного АЦП прямого преобразования с рециркуляцией (Recirculating ADC Architecture)]. В этой архитектуре используется один поддиапазонный параллельный АЦП прямого преобразования.
· Последовательные АЦП прямого преобразования (Subranging Direct-conversion (Flash) ADC), полностью последовательные АЦП (k=n), медленнее параллельных АЦП прямого преобразования и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, но ещё больше (до {\displaystyle n\cdot (2^{n/n}-1)+n-1=n\cdot (2^{1}-1)+n-1=2n-1}, где n — число битов выходного кода, а k — число параллельных АЦП прямого преобразования) уменьшают количество ОУ (при 8 битах потребуется 15 ОУ: 8 компараторов на ОУ и 7 вычитателей-умножителей на 2 на ОУ). Троичные АЦП этого вида приблизительно в 1,5 раза быстрее соизмеримых по числу уровней и аппаратных затрат двоичных АЦП этого же вида.
Классификация
В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис. 2 представлена классификация АЦП по методам преобразования.
Среди разновидностей аналого-цифровых преобразователей, наиболее популярными являются:
1. АЦП параллельного преобразования. Обладают низкой разрядностью и высоким быстродействием. Принцип действия заключается в поступлении входного сигнала на «плюсовые» входы компараторов, а ряд напряжений подается на «минусовые». Работа компараторов осуществляется параллельно, время задержки схемы складывается из времени задержки в одном компараторе и времени задержки в шифраторе. Исходя из этого, шифратор и компаратор можно сделать быстрыми и схема получит высокое быстродействие.
2. АЦП последовательного приближения. Осуществляет измерение величины входного сигнала, производя ряд «взвешиваний» или сравнений величин входного напряжения и ряда величин. Характеризуется высокой скоростью преобразования и ограничен точностью внутреннего ЦАП.
Дискретизация - это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (по-буржуйски дискрет означает отличный, различный). По-другому можно сказать, что дискретизация - это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. Давайте глянем на рисунок 1, где изображен принцип дискретизации.
Рис. 1 - Принцип дискретизации
На рисунке показана наиболее распространенная равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Δt. Вот эти промежутки "дельта тэ" и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в Δt. По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как ai, иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как fi(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.
Период дискретизации выбирается из условия:
Δt = 1/2Fв,
где Fв - максимальная частота спектра сигнала. Это выражение есть не что иное, как теорема Котельникова, которая гласит: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой Fв, если дискретные отсчеты взяты через интервал Δt = 1 / 2Fв. А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD. КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. А это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека (помните, частотный диапазон для уха человека равен 20...20 000 Гц). Про компакт диски будет отдельная глава.
При равномерном квантовании динамический диапазон получается довольно большим, а это не есть гуд. Поэтому придумали так называемое неравномерное квантование, при котором динамический диапазон уменьшается. Ну понятно, наверное, что шаг квантования δ будет различным при различных уровнях. При малых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается. На практике же неравномерное квантование практически не используется. Вместо этого применяют компрессоры, причем америкосы используют μ-компрессоры, европейцы - А-компрессоры (грэческая буковка μ читается "мю"). Характеристика компрессора показана на рисунке 3.
Рис. 3 - Амплитудная характеристика компрессора
Для восстановления ужатого динамического диапазона используют декомпрессор или экспандер. Понятно, что амплитудная характеристика экспандера обратна компрессору.
Кодирование - это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов. Широко используется двоичный код.
Ну а теперь перейдем собственно к АЦП. АЦП бывают последовательные и параллельные. Начнем с параллельных.
Параллельные АЦП
Чаще всего в качестве пороговых устройств параллельного АЦП используются интегральные компараторы. Схема типичного АЦП параллельного типа приведена на рисунке 4.
Рис. 4 - АЦП параллельного типа
Довольно простая схема. Число компараторов DA выбирается с учетом разрядности кода. Например, для двух разрядов понадобится три компаратора, для трех - семь, для 4-х - 15. Опорные напряжения задаются с помощью резистивного делителя. Входное напряжение Uвх подается вход компараторов и сравнивается с набором опорных напряжений, снимаемых с делителя. На выходе компаратора, где входное напряжение больше соответствующего опорного, будет лог. 1, на остальных - лог. 0. Естественно, пир входном напряжении равном 0 на выходах компараторов будут нули. При максимальном входном напряжении на выходах компараторов будут лог. 1. Шифратор предназначен для преобразования полученной группы нулей и единиц в "нормальный" двоичный код.
Параллельный АЦП является самым быстродействующим из всех, поскольку компараторы работают одновременно. Но есть весьма существенный недостаток. Как было сказано выше, разрядность такого АЦП определяется числом компараторов (ну и резиков, конечно). При малой разрядности это еще не так хреново. А когда разрядов 10-12. Для 10-ти разрядного АЦП понадобится 210 - 1 = 1023 штук. Вот это уже не хорошо. Отсюда вытекает высокая стоимость параллельных АЦП. Кстати, подбором сопротивлений резиков можно выбрать закон преобразования - линейный, логарифмический.
Последовательные АЦП
На схеме буквами и символами обозначены следующие элементы: К - компаратор, & - схема "И", ГТИ - генератор тактовых импульсов, СТ - счетчик, #/A - ЦАП. На один вход компаратора подается входное напряжение, на второй - напряжение с выхода ЦАП. В начале работы счетчик устанавливается в нулевое состояние, напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю, а на выходе компаратора устанавливается лог. 1. При подаче импульса разрешения "Строб" счетчик начинает считать импульсы от генератора тактовых импульсов, проходящих через открытый элемент "И". Напряжение на выходе ЦАП при этом линейно нарастает, пока не станет равным входному. При этом компаратор переключается в состояние лог. 0 и счет импульсов прекращается. Число, установившееся на выходе счетчика и есть пропорциональный входному напряжению цифровой код. Выходной код остается неизменным пока длится импульс "Строб", после снятия которого счетчик устанавливается в нулевое состояние и процесс преобразования повторяется.
Такие АЦП имеют низкое быстродействие. Достоинством является сравнительная простота построения.
Более быстродействующим являются АЦП последовательного приближения, называемый также АЦП с поразрядным уравновешиванием. АЦП последовательного приближения показан на рисунке 6. В основе работы таких преобразователей лежит принцип дихотомии - последовательного сравнения измеряемой величины с ½, ¼, ⅛ и т. п. от возможного ее максимального значения.
В таком АЦП используется спешиал регистр - регистр последовательных приближений. При подаче импульса "Пуск" на выходе старшего разряда регистра появляется лог. 1, а на выходе ЦАП напряжение U1. Если это напряжение меньше входного, то в следующем по счету разряде регистра записывается еще лог. 1. Если же входное напряжение меньше, то лог. 1 в старшем разряде отменяется. Таким образом, методом проб перебираются все разряды - от старшего до младшего. На всю операцию преобразования требуется импульсов ГТИ всего в два раза больше количества разрядов. То есть АЦП последовательных приближений намного шустрее АЦП последовательного счета.
В каталогах микросхем производители обычно указывают следующие параметры:
– разрядность (4 – 31 бит);
– число выборок в секунду (до 3,6GSPS);
– число каналов (1 – 64) – число аналоговых входов;
– поддерживаемый интерфейс (SPI, I2 C, LVDS);
– напряжение питания (униполярное/биполярное) и опорное напряжение (от нескольких до пары десятков вольт);
– диапазон входного сигнала;
– потребляемая мощность (до нескольких десятых долей микроватт);
– цена (самые дешевые АЦП могут стоить меньше доллара; цена микросхем, применяемых в военной и космической отраслях, может достигать нескольких тысяч долларов).
Аналого-цифровые преобразователи подразделяются на два больших класса:
– работающие на частоте Найквиста
– с передискретизацией
Таким образом, в АЦП первого класса алгоритм преобразования должен быть выполнен за один или несколько периодов дискретизации (цикл), в зависимости от спектра частот входного сигнала; АЦП второго класса позволяют затратить на преобразование несколько десятков циклов. Отсюда вытекает основное отличие между преобразователями: АЦП с передискретизацией обладают большей разрядностью, по сравнению с АЦП, работающими на частоте Найквиста; однако их быстродействие меньше. Типовые архитектуры АЦП рассмотрены ниже.
Существует два подхода к организации многоканального аналого-цифрового преобразования: с применением параллельного и последовательного опроса каналов. При реализации того или иного подхода необходимо провести оценку скорости изменения входных сигналов. При последовательном опросе частота сигнала, преобразуемого за один цикл опроса, примерно сопоставима с суммой частот входных сигналов. Соответственно, необходимо выбирать АЦП с таким же быстродействием. При параллельном опросе необходимо предусмотреть организацию хранения и передачи цифровых сигналов, получаемых с выходов отдельных АЦП.