Т 1.4 теория 2 часть ЦАП, АЦП. Учебное пособие Омск 2006

• Название: Учебное пособие Омск 2006
• Дата: 21.09.2022
• Размер: 0.88 Mb.
• Имя файла: Т 1.4 теория 2 часть ЦАП, АЦП.pdf
• Тип: Учебное пособие; #688946
• страница: 1 из 4

Федеральное агентство по образованию
Негосударственное образовательное учреждение
Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики
Одинец А.И., Науменко А.П.
Цифровые устройства: АЦП и ЦАП
Учебное пособие
Омск 2006

2
УДК 681.(075)
БКК 32.972
О42
Рецензент: А.А. Кузнецов, канд. техн. наук
Одинец А.И., Науменко А.П.
Цифровые устройства: АЦП и ЦАП: Учеб. пособие. – Омск: Изд-во
ИРСИД, 2006.- 48 с.
Изложены принципы построения АЦП и ЦАП. Приведены струк- турные схемы параллельных, последовательных и интегрирующих АЦП.
Рассмотрены последовательные и параллельные ЦАП, а также интерфей- сы и параметры АЦП и ЦАП.
Предназначено для студентов радиотехнических специальностей.
Подписано в печать
ООО «Издательство Наследие. Диалог-Сибирь»
Лицензия ЛР №071680 от 04.06.98.
Подписано в печать 27.03.06.
Формат 60х64 1/16. Уч.-изд. л. 3,0
Тираж 100 экз.
_____________________________________________________________________________________________
Отпечатано
«Полиграфический центр КАН»
644050, г. Омск, пр. Мира, 32,к.11 тел. [phone]
Лицензия ПЛД №58-47 от 21.04.97

3
1. Аналого-цифровые преобразователи
Введение
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемле- мой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразо- вания и отображения информации, программируемых источников питания, ин- дикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, устано- вок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами раз- личных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода- вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д. В настоящее время при- меняют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную и по- лупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых инте- гральных схем (ИС) АЦП в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобра- зователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью.
Общие сведения об АЦП
Аналого-цифровые преобразователи являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедуру аналого-цифрового преобразования не- прерывных сигналов можно разделить на две самостоятельные операции: дис- кретизацию и квантование. В основе дискретизации непрерывных сигналов ле- жит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм
, где a
j
- отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени; f
j
(t) - набор элементарных функций, используемых при восстановле- нии сигнала по его отсчетам.
Наиболее распространенной формой дискретизации является равномер- ная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в каче- стве коэффициентов a
j
следует использовать мгновенные значения сигнала U(t
j
) в дискретные моменты времени t
j
=j

t, а период дискретизации выбирать из условия

t=1/2F
m
, где F
m
- максимальная частота спектра преобразуемого сигнала.

4
Классификация АЦП
В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенци- альной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реали- зации. Аналого-цифровые преобразователи делятся на: параллельные, после-
довательные (последовательного приближения, последовательного счета (сле- дящие), интегрирующие (однотактные, многотактные, сигма-дельта, преобра- зователи частота-напряжение) и последовательно-параллельные (многотакт- ные, многоступенчатые, конвеерные).
1.1. Параллельные АЦП
На рис.1.1 показана реализация параллельного метода АЦ- преобразования для 3-разрядного числа.
Рис. 1.1
С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различ- ных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов.
Семь опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.
Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от
5
/
2
h, до
7
/
2
h, где h=U
оп
/7 - квант входного напряжения, соответствующий едини- це младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в со- стояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой

5 группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором, диаграмма состояний которого приве- дена в табл.1.1.
Таблица 1.1
Входное напряжение
Состояние компараторов
Выходы
U
вх
/h
К
7
К
6
К
5
К
4
К
3
К
2
К
1
Q
2
Q
1
Q
0 0
1 2
3 4
5 6
7 0
0 0
0 0
0 0
1 0
0 0
0 0
0 1
1 0
0 0
0 0
1 1
1 0
0 0
0 1
1 1
1 0
0 0
1 1
1 1
1 0
0 1
1 1
1 1
1 0
1 1
1 1
1 1
1 0
0 0
0 1
1 1
1 0
0 1
1 0
0 1
1 0
1 0
1 0
1 0
1
Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП явля- ется самым быстрым. Недостатком схемы является высокая сложность. Дей- ствительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2
N
-1 компараторов и 2
N
согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость и значительная потребляемая мощность.
1.2. Последовательно-параллельные АЦП
Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последо- вательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотакт- ные и конвеерные.
Многоступенчатые АЦП. В многоступенчатом АЦП процесс преоб- разования входного сигнала разделен в пространстве. В качестве примера на рис. 1.2 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

6
Рис. 1.2
Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП по- ступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстро- действующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение ко- торого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую фор- му представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у
АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.
Многотактные последовательно-параллельные АЦП. На рис. 1.3 при- ведена схема двухтактного 8-разрядного АЦП. В схеме процесс преобразова- ния разделен во времени.
Рис. 1.3

7
Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного АЦП, квант h которого определяется величиной опорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен 2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h
1
=0,16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает полу- ченное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного ре- гистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряже- ние АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h
2
=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова.
Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения (УВХ).
Быстродействие рассмотренного многотактного АЦП определяется пол- ным временем преобразования 4-разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП. Преобразователь та- кого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, но он проще и дешевле.
Конвейерные АЦП. Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки вход- ного сигнала. В многоступенчатом АЦП (рис. 1.2) вначале происходит форми- рование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразовате- лем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифро- вого сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП, схема 8-разрядного варианта которого приведена на рис. 1.4.
Рис. 1.4

8
Роль аналогового элемента задержки выполняет УВХ2, а цифрового - че- тыре D-триггера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в вы- ходной регистр на один период тактового сигнала. Сигналы выборки, форми- руемые из тактового сигнала, поступают на УВХ1 и УВХ2 в разные моменты времени. УВХ2 переводится в режим хранения позже, чем УВХ1 на время, рав- ное суммарной задержке распространения сигнала по АЦП1 и ЦАП.
Таким образом, конвейерная архитектура позволяет в несколько раз по- высить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. При этом можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, по- низив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП.
1.3. Последовательные АЦП
АЦП последовательного счета является типичным примером последо- вательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора (К), счетчика и ЦАП (рис. 1.5). На один вход компаратора поступает входной сиг- нал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.
Рис. 1.5
Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генерато- ра тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осу- ществляющий его преобразование в напряжение обратной связи U
ос
. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и переключится компаратор, который сво- им выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счет- чик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса пре- образования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в мо- мент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика. Время преоб-

9 разования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному вход- ному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f
такт равно
t
пр.макс
=(2
N
-1)/ f
такт
Например, при N=10 и f
такт
=1 МГц t
пр.макс
=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.
Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Досто- инством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразо- вания.
АЦП последовательного приближения (АЦП с поразрядным уравно- вешиванием) (рис. 1.6а). В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с
1
/
2
,
1
/
4
,
1
/
8
и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N- разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за N последователь- ных шагов (итераций) вместо 2
N
-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, при N=10 этот вы- игрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до
10 5
...10 6
преобразований в секунду.
Рис. 1.6

10
Схема четырехразрядного АЦП содержит: компаратор (К), регистра по- следовательного приближения (РПП) и ЦАП. После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 1000 2
=8 10
). Благо- даря этому напряжение U
ос на выходе ЦАП (рис. 1.6 б)
U
ос
=2 3
h. где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР).
Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d
3
обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток
U
вх
- d
3 2
3
h таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в РПП двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответ- ствующее U
вх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с
РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.
Для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать
УВХ. Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродей- ствию, стоимости и разрешающей способности между последовательно- параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в си- стемах управления, контроля и цифровой обработки сигналов
1.4. Интегрирующие АЦП
Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низ- кая помехоустойчивость результатов преобразования. Действительно, выборка мгновенного значения входного напряжения, обычно включает слагаемое в ви- де мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке по- следовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время и вычислительные ресурсы. В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном вре- менном интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преоб- разования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих
АЦП.

11
АЦП многотактного интегрирования
Схема АЦП двухтактного интегрирования приведена на рис. 1.7.
Рис. 1.7
Преобразование проходит две стадии: стадию интегрирования и стадию счета (рис. 1.8). В начале первой стадии ключ S
1
замкнут, а ключ S
2
разомкнут.
Интегратор И интегрирует входное напряжение U
вх
. Время интегрирования входного напряжения t
1
постоянно; в качестве таймера используется счетчик с коэффициентом пересчета K
сч..
. После окончания стадии интегрирования ключ
S
1
размыкается, а ключ S
2
замыкается и опорное напряжение U
оп поступает на вход интегратора. При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению.
Рис. 1.8

12
На стадии счета выходное напряжение интегратора линейно уменьшается по абсолютной величине. Стадия счета заканчивается, когда выходное напря- жение интегратора переходит через нуль. Компаратор К переключается и счет останавливается. Содержимое счетчика после окончания стадии счета
Отличительной особенностью метода многотактного интегрирования яв- ляется то, что ни тактовая частота, ни постоянная интегрирования RC не влия- ют на результат.
Различают две группы АЦП многотактного интегрирования: схемы с па- раллельным или последовательным выходом для сопряжения с микропроцессо- рами исхемы с двоично-десятичными счетчиками и дешифраторамидля управления семисегментными индикаторами, в том числе мультиплексирован- ными (572ПВ5, 572ПВ6).
Сигма-дельта АЦП (АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов).
Многие недостатки АЦП многотактного интегрирования во многом устранены в сигма-дельта АЦП. Один из принципов, заложенных в такого рода преобразо- вателях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а, следова- тельно, увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов из- мерения на большом интервале времени. Основные узлы АЦП - это сигма- дельта модулятор и цифровой фильтр. Структурная схема n-разрядного сигма- дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 1.9.
Рис. 1.9
Работа схемы основана на вычитании из входного сигнала U
вх
(t) величи- ны сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы.
Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным
АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифро- вой фильтр нижних частот. Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го поряд-

13 ка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотно- шение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого по- рядка. Наиболее широко используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП - анало- говый коммутатор. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис.1.10.
Рис. 1.10
В сигма-дельта АЦП обычно применяются цифровые фильтры с АЧХ ви- да (sinx/x)
3
. В частотной области модуль передаточной функции фильтра
, где М - целое число, которое задается программно и равно отношению тактовой частоты модулятора к частоте отсчетов фильтра.
Сигма-дельта АЦП имеет более высокую линейность характеристики преобразования, чем у АЦП многотактного интегрирования. Микроконтроллер в составе сигма-дельта АЦП высокого разрешения позволяет реализовать ре- жимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хра- нить калибровочные коэффициенты.