Аналого - цифрові перетворювачі

 

Рис. 4. Двохступеневий 8-розряднй АЦП

 

Верхній по схемі АЦП здійснює грубе перетворення сигналу у чотири старших розряди вихідного коду. Цифрові сигнали з виходу АЦП поступають на вихідний регістр та одночасно на вхід 4-розрядного швидкодіючого цифро аналогового перетворювача (ЦАП). Різність від віднімання вихідної напруги ЦАП із вхідної напруги схеми поступає на другий АЦП (нижній по схемі). У цього АЦП опорна напруга у 16 разів менша за опорну напругу першого АЦП. Тому квант другого АЦП у 16 разів менший кванта першого АЦП. Цей залишок, що перетворений у другому АЦП у цифрову форму є чотирма молодшими розрядами. Різниця між двома АЦП в тому, що точність першого АЦП повинна бути такою, як у 8-розрядного АЦП.

Оскільки перетворення у цифрову форму здійснюється за два такти, то доцільно на вході використовувати пристрій вибірки та збереження, щоб значення вхідної напруги за час двох тактів не змінювалось.

 

 

Розглянемо приклад 8-розрядного двохтактного АЦП, схема якого показана на рис. 5. Процес перетворення розділений у часі.

Перетворювач складається з 4-розрядного паралельного АЦП, квант h якого визначається величиною опорної напруги, 4-розрядного ЦАП та пристрою керування. Якщо максимальний вхідний сигнал дорівнює 2, 56 В, то на першому такті перетворювач працює з шагом квантування h1=0, 16 В. В цей час вхідний код ЦАП дорівнює нулю.

 

Рис. 5. Двохтактний 8-розрядний АЦП

 

Пристрій керування передає одержане на першому такті слово у чотири старших розряди вихідного регістру, подає це слово на вхід ЦАП та зменшує у 16 разів опорну напругу АЦП. Таким чином, у другому такті шаг квантування h2=0, 01 В і залишок, що з’явився при відніманні з вхідної напруги вихідної напруги ЦАП, буде перетворений у молодший полу байт вихідного слова.

Використовувані у цій схемі 4-розрядні АЦП та ЦАП повинні мати 8-розрядну точність, інакше можливий пропуск кодів. Як і у попереднього АЦП на вході потрібно встановлювати пристрій вибірки та збереження.

Прикладом такого АЦП є трьохтактний 12-розрядний AD7886 з часом перетворення 1 мкс.

 

 

Швидкодію багатоступеневого АЦП можна підвищити за допомогою конвеєрного принципу багатоступеневої обробки. У звичайному багатоступеневому АЦП рис. 4 спочатку формуються старші розряди вихідного слова першим АЦП, потім іде встановлення вихідного сигналу ЦАП. На цьому інтервалі другий АЦП простоює. Тому треба ввести елементи затримки між першою та другою ступенями і одержимо конвеєрний АЦП, схема якого показана на рис. 6.

 

Рис. 6. Конвеєрний АЦП

 

Роль аналогового елемента затримки виконує пристрій вибірки та збереження ПВЗ2, а цифрового – чотири D-тригери.. Ці тригери затримують передачу старшого полу байту у вихідний регістр на один період тактового сигналу.

Сигнали вибірки, що формуються з тактового сигналу, поступають на ПВЗ1 та ПВЗ2 у різні моменти часу (рис. 7).

ПВЗ2 переходить у режим збереження пізніше, ніж ПВЗ1 на час, що дорівнює сумарній затримці розповсюдження сигналу по АЦП1 та ЦАП. Задній фронт тактового сигналу керує записом кодів в D – тригери та вихідний регістр. Повна обробка вхідного сигналу займає біля двох періодів тактових імпульсів CLK, але частота появлення нових значень вихідного коду дорівнює частоті тактового сигналу. Таким чином, конвеєрна архітектура дозволяє суттєво (в декілька разів) збільшити максимальну частоту вибірок багатоступеневого АЦП. Те, що при цьому зберігається сумарна затримка проходження сигналу, що відповідає звичайному багатоступеневому АЦП з такою ж кількістю ступенів, не має суттєвого значення, так як час наступної цифрової обробки цих сигналів все одно набагато більше цієї затримки. За рахунок цього можна без програшу у швидкодії збільшити кількість ступенів АЦП, зменшивши розрядність кожної ступені. В свою чергу, збільшення числа ступенів перетворення зменшує складність АЦП. Дійсно, наприклад, для побудови 12-розрядного АЦП з чотирьох 3-розрядних потрібно 28 компараторів, тоді як його реалізація з двох 6-розрядних потребує 126 компараторів.

 

Рис. 7. Діаграма вибірок конвеєрного АЦП

 

Конвеєрну структуру має багато АЦП, що виготовляються зараз. Так двохступеневий 10-розрядний AD9040 виконує до 40 мільйонів перетворень за секунду, 12-розрядний AD9220 виконує до 10 мільйонів перетворень за секунду. При роботі з конвеєрним АЦП треба знати, що багато з них не допускають низьких частот вибірок, бо внутрішні ПВЗ мають велику швидкість розряду конденсаторів.

 

 

Цей АЦП складається з компаратора, лічильника та ЦАП (рис. 8). На один вхід компаратора поступає вхідний сигнал, на інший – сигнал зворотного зв’язку з ЦАП.

Робота перетворювача починається з приходу імпульсу запуску, який включає лічильник, що сумує кількість імпульсів, що поступають від генератора тактових імпульсів ГТІ. Вихідний код лічильника подається на ЦАП, що перетворює цей код у напругу зворотного зв’язку Uос. Процес перетворення продовжується доки напруга зворотного зв’язку не стане рівним до вхідної напруги, тоді переключиться компаратор, який своїм вихідним сигналом припиняє доступ тактових імпульсів на лічильник. Перехід виходу компаратора з „1” в „0” означає закінчення процесу перетворення. Вихідний