Последовательно-параллельные АЦП
Следующим видом аналого-цифровых преобразователей, занимающим промежуточное место между скоростными параллельными АЦП и наиболее распространенными АЦП последовательного приближения, являются последовательно-параллельные АЦП. Рассмотрим работу последовательно-параллельного АЦП на примере восьмиразрядного АЦП. Структурная схема этого АЦП приведена на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1. Структурная схема восьмиразрядного последовательно-параллельного АЦП
В схеме восьмиразрядного последовательно-параллельного АЦП используются два параллельных четырехразрядных АЦП. Второй аналого-цифровой преобразователь оцифровывает ошибку квантования, выделяемую при помощи цифро-аналогового преобразователя и аналогового вычитателя. Если бы мы преобразовывали входной сигнал в цифровую форму без погрешности, то на выходе АЦП (а затем и на выходе цифро-аналогового преобразователя) мы бы получили точную копию входного сигнала, однако это не так. Поэтому на выходе аналогового вычитателя формируется сигнал ошибки преобразования.
Для того чтобы в схеме можно было бы использовать одинаковые АЦП, сигнал ошибки преобразования первого аналого-цифрового преобразователя усиливается в 16 раз. В результате уровень сигнала на входе второго АЦП равен уровню сигнала на входе первого АЦП, а значит можно использовать схему, полностью идентичную первому аналого-цифровому преобразователю. Следует отметить, что вычитатели обычно выполняют с использованием операционных усилителей, поэтому обычно в составе последовательно-параллельного преобразователя используется усиливающий вычитатель.
Что же мы выиграли в результате усложнения схемы? Так как разрядность параллельных преобразователей снижена вдвое, то для их реализации в случае, приведенном на рисунке 1, потребуются только 2 * 15 = 30 компараторов. Для реализации восьмиразрядного АЦП, как это уже упоминалось в предыдущей главе, нам бы потребовалось 255 компараторов. То есть выигрыш по сложности реализации схемы составляет почти в десять раз!
Теперь давайте оценим, во сколько же раз мы проиграли в быстродействии? Прежде чем мы сможем сформировать на выходе восьмиразрядный двоичный код, необходимо чтобы сигнал был преобразован в цифровую форму первым АЦП, снова преобразован в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем. Затем должен быть сформирован и усилен сигнал ошибки, и этот сигнал должен быть снова оцифрован. В результате описанных действий время преобразования входного аналогового сигнала возрастает, по крайней мере, в четыре раза.
Обратите внимание — время преобразования, а не тактовая частота! Как мы определили в предыдущей главе, время преобразования в параллельном АЦП в несколько раз больше периода тактовой частоты (частоты дискретизации аналогового сигнала). Все это время сигнал на входе преобразователя не должен меняться. Это означает, что в составе последовательно-параллельного АЦП должно находиться устройство выборки и хранения.
Тем не менее, как и в случае с параллельным аналого-цифровым преобразователем, быстродействие всей схемы в целом может быть увеличено за счет применения конвейерной обработки. Достаточно разбить алгоритм преобразования на несколько этапов, которые могут выполняться одновременно.
В цифровой части преобразователя разбиение на этапы производится при помощи параллельных регистров. В аналоговой части для этой цели служат устройства выборки и хранения. И на регистры и на устройства выборки и хранения подается тактовая частота аналого-цифрового преобразователя. Эта частота совпадает с частотой дискретизации входного аналогового сигнала.
Структурная схема восьмиразрядного последовательно-параллельного преобразователя, использующая принцип конвейерного преобразования сигнала, приведена на рисунке 6.2.
Рисунок 6.2. Структурная схема конвейерного восьмиразрядного последовательно-параллельного АЦП
В этой схеме, пока осуществляется преобразование в цифровую форму сигнала ошибки, формируется сигнал ошибки следующего отсчета сигнала. Пока формируется сигнал ошибки следующего отсчета сигнала, осуществляется формирование старших четырех разрядов выходного кода. Единственная трудность заключается в том, что необходимо совместить сформированные старшие и младшие разряды во времени. Это осуществляется за счет задержки старших разрядов в цифровой линии задержки, собранной на параллельных регистрах.
В приведенной на рисунке 6.2 схеме выходной отсчет входного сигнала появится только через три тактовых импульса. Все последующие отсчеты входного аналогового сигнала будут появляться с каждым очередным тактовым импульсом.
Итак, подведем итоги. Последовательно-параллельный АЦП способен осуществлять преобразование сигнала с большей разрядностью по сравнению с параллельным АЦП. Однако он обладает меньшим быстродействием, приблизительно равным времени задержки параллельного АЦП. Последовательно-параллельные АЦП способны формировать цифровой поток данных со скоростью несколько сотен миллионов отсчетов в секунду.
Глава 7
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения (SAR ADC). Эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.
При измерении каких-либо объектов мы обычно последовательно увеличиваем точность измерения. Например, при измерении длины мы сначала определяем ее в метрах, затем добавляем к полученному значению остающиеся десятки сантиметров, потом остаток в сантиметрах и т.д. То есть при каждом последующем измерении точность увеличивается на один десятичный разряд. Подобным образом можно проводить измерения и в двоичной системе счисления. В этом случае каждый раз точность измерения будет возрастать ровно в два раза. Подобный процесс измерения напряжения иллюстрируется рисунком 7.1.
Рисунок 7.1. Временные диаграммы напряжений на входах компаратора АЦП последовательного приближения
При измерении неизвестного расстояния оно сравнивается с эталоном длины — линейкой. Но где же взять эталонные напряжения? Для этого можно воспользоваться цифро-аналоговым преобразователем. Если на его вход подавать цифровые коды, то на его выходе будут появляться напряжения, соответствующие этим цифровым кодам. Для формирования необходимых для измерения цифровых кодов служит специальная схема, называемая регистром последовательного приближения.
Для сравнения неизвестного напряжения, поступающего с выхода устройства выборки и хранения, с эталонными напряжениями, поступающими с выхода цифро-аналогового преобразователя, воспользуемся уже известным нам аналоговым компаратором. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения приведена на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2. Структурная схема АЦП последовательного приближения
В первый момент времени после поступления первого тактового импульса на выходе регистра последовательного приближения формируется код половины полной шкалы преобразователя. Этот код соответствует двоичному числу 01111111. При подаче этого кода на входы цифро-аналогового преобразователя на его выходе появится напряжение, соответствующее половине полной шкалы входных напряжений (или, что то же самое, половине опорного напряжения Uоп, подаваемого на соответствующий вход цифро-аналогового преобразователя).
При поступлении следующих тактовых импульсов этот код будет сдвигаться вправо, обеспечивая тем самым уменьшение веса разрядов ровно вдвое. Таким образом, если после первого тактового импульса на выходе цифро-аналогового преобразователя присутствует половина полной шкалы, то после второго тактового импульса там будет присутствовать четверть, затем одна восьмая часть полной шкалы, и так далее.
В примере, приведенном на рисунке 7.1, измеряемое напряжение превышает значение половины полной шкалы АЦП, а значит, на выходе аналогового компаратора появится уровень логической единицы. При поступлении второго тактового импульса этот сигнал запишется в старший разряд регистра последовательного приближения. В результате на выходе этого регистра появится код 10111111, а значит, напряжение на выходе ЦАП станет равным 3/4 от напряжения полной шкалы. Если бы напряжение на выходе УВХ оказалось меньше напряжения, поступающего с выхода ЦАП, то на выходе компаратора появился бы нулевой потенциал, и в регистр последовательного приближения был бы записан код 00111111, а значит, на выходе ЦАП сформировалось бы напряжение 1/2 от напряжения полной шкалы.
В примере, приведенном на рисунке 7.1, напряжение на выходе ЦАП при втором измерении превысит напряжение с выхода УВХ, поэтому на выходе компаратора появится нулевой уровень. При поступлении третьего тактового импульса этот сигнал запишется во второй разряд регистра последовательного приближения, поэтому код на его выходе станет равным 10011111. На этот раз напряжение на выходе ЦАП уменьшится на 1/8 Uоп от предыдущего значения.
Итак, на вход регистра последовательного приближения поступило три тактовых импульса, и мы получили два разряда цифрового кода. После поступления на вход регистра последовательного приближения девяти тактовых импульсов мы получим полный 8-разрядный двоичный код, соответствующий входному напряжению. В примере, приведенном на рисунке 1, этот код равен 10101000.
После завершения преобразования, на управляющем выходе регистра последовательного приближения появляется нулевой потенциал, показывающий, что преобразование закончено.
Итак, для полного преобразования аналогового сигнала в цифровую форму АЦП последовательного приближения требуется, как минимум, N+1 тактовых импульсов (один такт на выдачу половинного напряжения и N тактов для получения N двоичных разрядов).
АЦП последовательного приближения могут работать как в режиме одиночного преобразования, так и в режиме создания непрерывного потока данных. На рисунке 7.2 этот аналого-цифровой преобразователь включен в режиме непрерывного преобразования входного сигнала. В этом режиме тактовая частота должна подаваться от высокостабильного генератора.
Если требуется производить одиночное аналого-цифровое преобразование в определенные моменты времени, то обратная связь с выхода готовности на вход запуска регистра последовательного приближения разрывается и преобразование начинается сразу же после поступления импульса на вход запуска. В этом случае высокой стабильности от генератора тактовой частоты не требуется.
АЦП последовательного приближения используются на частотах преобразования от единиц килогерц до десятков мегагерц. При этом удается достигнуть точности преобразования до 18 двоичных разрядов.
Глава 8
Сигма-дельта АЦП
В ряде случаев точности, которую достигают АЦП последовательного приближения, недостаточно. Самую высокую точность преобразования на настоящее время — 24 двоичных разряда достигают сигма-дельта-АЦП. В этих аналого-цифровых преобразователях для достижения такой высокой разрешающей способности совмещены достижения как аналоговой, так и цифровой техники.
Для того чтобы понять, как работает этот вид аналого-цифровых преобразователей, давайте сначала рассмотрим, каким образом может быть представлен сигнал для последующей передачи по цифровой линии связи (или для запоминания на цифровом носителе информации). Первый вариант — это применение импульсно-кодовой модуляции. В этом случае каждый отсчет аналогового сигнала преобразуется в цифровой эквивалент, и это число передается по линии связи. Именно такой вариант мы и рассматривали до настоящего времени. Структурная схема линии связи с импульсно-кодовой модуляцией приведена на рисунке 8.1.
Рисунок 8.1. Структурная схема линии связи с импульсно-кодовой модуляцией
Шумы квантования в такой системе равномерно распределены по частоте и не зависят от частоты входного сигнала. График уровня шума квантования на выходе аналого-цифрового преобразователя, в зависимости от частоты, приведен на рисунке 8.2.
Рисунок 8.2. Зависимость уровня шумов квантования АЦП от частоты
Существует альтернативный вариант передачи сигнала по линии связи в цифровой форме. В этом варианте передаются (или запоминаются) не абсолютные значения сигнала, а только приращения сигнала на заданном отрезке времени. Такой вид представления сигнала в цифровой форме называется дельта-модуляцией. Структурная схема линии связи с дельта-модуляцией приведена на рисунке 8.3.
Рисунок 8.3. Структурная схема линии связи с дельта-модуляцией
Перед триггером в данной схеме применен аналоговый компаратор с нулевым порогом срабатыания. Однако в качестве подобного компаратора может быть использован и триггер Шмитта. Сигнал на выходе этой системы полностью соответствует сигналу на выходе схемы, приведенной на рисунке 8.1. Теперь обратите внимание, что в схеме используется два интегратора, но если переместить интегратор в цепи обратной связи на вход компаратора, то этот интегратор будет выполнять те же функции, что и интегратор на выходе схемы, а значит, он не потребуется — мы обойдемся одним интегратором. Новая схема дельта-модулятора приведена на рисунке 8.4.
Рисунок 8.4. Структурная схема дельта-модулятора первого порядка
Частота дискретизации в линии связи с дельта-модуляцией обычно выбирается выше частоты дискретизации импульсно-кодовой модуляции. Только в этом случае качество сигнала на выходе этой системы становится сравнимым с качеством сигнала на выходе ИКМ системы. При этом чем выше частота дискретизации по отношению к частоте преобразуемого сигнала, тем меньше будет ошибка его дискретизации.
Обратите на это внимание! В системе с дельта-модуляцией ошибка квантования не распределена равномерно по всем частотам, а растет с ростом частоты преобразуемого сигнала. График уровня шума квантования на выходе дельта-модулятора, в зависимости от частоты, приведен на рисунке 8.5.
Рисунок 8.5. Зависимость уровня шумов квантования дельта-модуляции от частоты
Именно этим свойством дельта-модуляции мы и воспользуемся для уменьшения шумов квантования в аналого-цифровом преобразователе. Нас обычно интересует область частот от постоянного тока до верхней частоты сигнала. Если при помощи цифрового фильтра отфильтровать высокочастотные составляющие шума квантования, то можно значительно увеличить отношение сигнал/шум сигнала, представленного в цифровой форме.
При этом отношение сигнал/шум в данной схеме, в полосе рабочих частот, может оказаться значительно выше отношения сигнал/шум на выходе схемы, приведенной на рисунке 2.6. Теперь зададимся вопросом — если мы получили выигрыш по отношению сигнал/шум за счет неравномерного распределения шумов квантования, то нельзя ли сделать эту зависимость еще более неравномерной, то есть как бы "вытеснить" шумы квантования в область верхних частот, где они будут подавлены цифровым фильтром нижних частот.
Для этого можно использовать дельта-модулятор более высокого порядка по сравнению с дельта-модулятором первого порядка, приведенным на рисунке 8.4. Зависимость шумов квантования от частоты на выходе дельта-модуляторов различного порядка приведена на рисунке 8.6.
Рисунок 8.6. Частотная зависимость шумов квантования на выходе дельта-модуляторов различного порядка
В настоящее время используются дельта модуляторы третьего порядка. Модуляторы более высокого порядка не используются, так как их схемы являются потенциально неустойчивыми и могут самовозбуждаться. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка приведена на рисунке 8.7.
Рисунок 8.7. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка
Следующим блоком, определяющим высокие характеристики сигма-дельта-АЦП, является цифровой фильтр. Именно в двоичных сумматорах цифрового фильтра множество одноразрядных цифровых отсчетов входного сигнала превращается в многоразрядные двоичные цифры, которые затем поступают на выход аналого-цифрового преобразователя.
Основной задачей цифрового фильтра является уничтожение всех частотных составляющих выше верхней частоты полезного сигнала, поэтому на выходе этого цифрового фильтра можно значительно уменьшить частоту дискретизации, поэтому для синхронизации сигма-дельта-АЦП требуется частота, в несколько сотен раз выше частоты его выходного потока данных.
Обычно полоса рабочих частотсигма-дельта-АЦП, построенного по схеме, приведенной на рисунке 7, не превышает нескольких десятков герц, поэтому для более широкополосных сигналов, таких как звуковой сигнал, применяется несколько измененная схема. В ней в качестве преобразователя аналог-цифра используется не одноразрядный АЦП (аналоговый компаратор), а параллельный АЦП. Структурная схема подобного сигма-дельта-АЦП приведена на рисунке 8.8.
Рисунок 8.8. Структурная схема сигма-дельта-АЦП с применением параллельного АЦП
Еще одной распространенной задачей является преобразование в цифровую форму узкополосных радиосигналов промежуточной частоты. В этом случае необходимо очищать от шумов квантования не область частот около нулевой частоты, а некоторую область частот около промежуточной частоты. В этом случае в качестве интеграторов используются не фильтры низкой частоты (RC-цепочки), а полосовые фильтры (LC-контура). Структурная схема сигма-дельта-АЦП промежуточной частоты приведена на рисунке 8.9.
Рисунок 8.9. Структурная схема сигма-дельта-АЦП промежуточной частоты
На этом можно закончить обзор основных типов аналого-цифровых преобразователей, применяющихся в настоящее время в радиотехнике. Теперь давайте более подробно остановимся на устройстве цифро-аналоговых преобразователей.
Глава 9