Сигнал должен быть дискретизирован со скоростью равной или большей удвоенной полосы частот полезного сигнала для того, чтобы сохранить всю информацию об исходном сигнале.

Обратите внимание, что в этой формулировке нет никакого упоминания об абсолютном местоположении дискретизируемого сигнала в частотном спектре относительно частоты дискретизации. Единственное ограничение заключается в том, что полоса подлежащих дискретизации сигналов должна быть ограничена одной зоной Найквиста. Частотные компоненты дискретизируемых сигналов не должны пересекать частоту f_д/2 с любым коэффициентом (это и является основной задачей аналогового фильтра, размещаемого на входе аналого-цифрового преобразователя).

Дискретизация сигналов, лежащих выше первой зоны Найквиста, стала популярной в аппаратуре связи, так как этот процесс эквивалентен аналоговой демодуляции. Обычным становится дискретизация сигналов ПЧ с последующим использованием цифровых методов для обработки сигнала. Таким способом исчезает необходимость использования демодулятора ПЧ. Ясно, что с ростом ПЧ растут и требования к производительности АЦП. Ширина полосы частот на входа АЦП и характеристики, связанные с допустимыми искажениями сигналов, должны быть адекватны скорее ПЧ, чем основной полосе частот. Это является проблемой для большинства АЦП, предназначенных для обработки сигналов в первой зоне Найквиста, поэтому для субдискретизации требуется АЦП, который может обрабатывать сигналы в более высокочастотных зонах Котельникова.

Глава 5

Параллельные АЦП (flash ADC)

Простейшим по пониманию принципов работы (но отнюдь не по внутреннему устройству) является параллельный аналого-цифровой преобразователь (flash ADC). Рассмотрим его работу на примере схемы трехразрядного параллельного АЦП, приведенной на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Принципиальная схема трехразрядного параллельного АЦП

В этой схеме аналоговый сигнал U_вх подается на соответствующий вход АЦП. Одновременно на другой его вход подается опорное напряжение U_REF. Это напряжение при помощи резистивного делителя, состоящего изрезисторов с одинаковым сопротивлением, делится на семь одинаковых уровней.

Основой параллельного аналогоцифрового преобразователя являются семь аналоговых компараторов, которые сравнивают входной сигнал АЦП с опорным напряжением, подаваемым на их второй вход. Если напряжение на входе компаратора превышает напряжение на его инвертирующем входе, то на выходе компаратора формируется напряжение логической единицы. Аналоговые компараторы по внутреннему устройству очень похожи на операционные услилители с дифференциальным входом. Отличием является наличие цифрового выходного каскада (с ТТЛ или ЭСЛ логическими уровнями).

Если напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя меньше всех напряжений, подаваемых на опорные (инвертирующие) входы компараторов, то на всех выходах компараторов формируются нулевые уровни сигналов. Код на выходе линейки компараторов будет равен 0000000_b.

Постепенно повышая уровень входного сигнала можно превысить напряжение на опорном входе нижнего компаратора. В этом случае на его выходе сформируется уровень логической единицы. Код на выходе линейки компараторов примет значение 0000001. При дальнейшем увеличении уровня сигнала на входе параллельного АЦП код будет принимать значения 0000011, 0000111, и так далее. Максимальное значение кода 1111111 будет выдано на выходе линейки компараторов параллельного аналого-цифрового преобразователя при превышении входным сигналом значения сигнала на опорном входе самого верхнего компаратора.

Итак, мы достигли напряжения полной шкалы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Однако, как вы заметили, код, получаемый на выходе линейки компараторов состоит из нулей и единиц, но не является при этом двоичным, поэтому для его приведения к двоичному виду потребуется специальная цифровая схема — преобразователь кодов (шифратор).

Такие схемы мы уже умеем разрабатывать. Этому мы научились в первой части курса "Цифровые устройства и микропроцессоры". Если внимательно посмотреть на полученные нами на выходе линейки компараторов коды, то мы увидим, что с таким видом кодов мы уже встречались — это коды, которые мы использовали при построении восьмиричных шифраторов. А это, в свою очередь, означает, что в качестве преобразователя кодов мы можем использовать уже хорошо знакомую нам схему восьмиричного шифратора.

Теперь вспомним, что готовый преобразованный двоичный код необходимо поставлять на выход аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации. Это мы можем обеспечить, запоминая код, поступающий с выхода приоритетного шифратора, в параллельном регистре, как это показано на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Принципиальная схема параллельного АЦП с параллельным регистром на выходе

Максимальная тактовая частота, подаваемая на вход синхронизации параллельного АЦП определяется разностью распространения сигналов. При этом следует обратить внимание, что при изготовлении компараторов на одном кристалле, разброс их параметров, в том числе и времени распространения сигнала с его входа на выход будет значительно меньше абсолютного значения задержки. При параллельном соединении компараторов разность распространения сигналов на их выходах обычно не превышает 10 пс. Поэтому максимальная тактовая частота, она же максимальная частота дискретизации аналогового сигнала достигает значения 500 МГц. В качестве примера можно назвать аналого-цифровые преобразователи ADC08D1000 фирмы National Products from Texas Instruments, AD9484 или AD9434 фирмы Analog Devices

Как видите, у нас получилась достаточно простая и быстродействующая схема. Что может быть быстрее простого устройства сравнения — компаратора! Более того! Мы уже знаем, что большое быстродействие аналого-цифрового преобразователя нам обычно требуется при оцифровке радио- и видео-сигналов. При работе с подобными сигналами нас обычно не интересует абсолютная задержка этого сигнала (в пределах десятков миллисекунд). Нам важнее возможность непрерывно получать поток цифровых отсчетов.

В некоторых применениях, таких как цифровые осциллографы или приемные устройства систем радиосвязи может потребоваться еще большая частота оцифровки входного аналогового сигнала. Тогда применяют параллельное соединение нескольких параллельных АЦП. Для передачи выходных оцифрованных кодов тоже используют несколько параллельных шин передачи данных. В качестве примера можно назвать микросхему LM97600 фирмы Texas Instruments. Ее внутренняя структура приведена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3. Структурная схема быстродействующего параллельного АЦП

Глава 6