Лекция 10. МС АЦП Схемотехника ЭВМ ч.2 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ Мальчуков Андрей Николаевич Томск – 20 13

АЦП 2 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство для автоматического преобразования непрерывно меняющихся во времени аналоговых величин (обычно электрических напряжений) в эквивалентные значения числовых кодов. В состав АЦП входят вспомогательные узлы, улучшающие их функциональные возможности: буферные усилители, автоматические переключатели диапазонов, программируемые усилители, устройства выборки- хранения, схемы автокалибровки и автоподстройки и т.д. Современные АЦП ориентированы на совместную работу с микропроцессорными системами и содержат элементы интерфейса (буферные регистры, дешифраторы адреса и т.п.).

АЦП 3 АЦП используют те же коды, что и в компьютерной технике. При преобразовании однополярных сигналов используется прямой код, как и для однополярных ЦАП. При преобразовании двуполярных сигналов, как и в ЦАП, может использоваться прямой код со знаком, смещенный двоичный код, дополнительный код (дополнение до двух) и обратный код. Дополнительный код (дополнение до двух) – в отрицательных числах инверсия всех разрядов (1-ое дополнение), кроме знакового, сложение полученного числа с единицей (2-ое дополнение).

АЦП: коды 4

АЦП: классификация 5 Основные типы АЦП АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC). АЦП последовательного приближения (SAR ADC, от регистра последовательного приближения – successive approximation register). АЦП на основе интегратора (delta-encoded ADC, АЦП с балансировкой заряда, двухтактного интегрирования). Составные АЦП (состоящие из нескольких АЦП с различной архитектурой) Конвейерные (pipelined ADC). Комбинированные АЦП.

||-ые АЦП 6 АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Построены на принципе одновременного преобразования входного сигнала, путём его сравнения с помощью набора компараторов – схем, осуществляющих сравнение двух входных напряжений. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит (SPS – signal per second).

||-ые АЦП: схема 7

||-ые АЦП: работа схемы 8 Входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного (Uref) путем деления резисторами R: снизу-вверх (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref. Например, если на вход АЦП подать напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда на выходе первых 4-х компараторов (снизу) появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) по самой старшей единице сформирует двоичный код, который фиксируется выходным регистром. Количество компараторов 2 n, где n – разрядность АЦП.

||-ые АЦП: «+» и «-» 9 + Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Такая схема имеет очень высокое быстродействие. – Для получения N разрядов необходимо 2 n компараторов (и сложность приоритетного шифратора также растёт 2 n ). Например, для получения 8 разрядов понадобится 256 компараторов (и HPRI c 256-ти входами), для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП – свыше 16 млн.

SAR АЦП 10 АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовался для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. АЦП с поразрядным кодированием, иногда их называют АЦП с двоично-взвешенным приближением (SAR, Successive Approximation Register).

SAR АЦП: алгоритм работы 11 АЦП измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом: 1) на выходе встроенного ЦАП устанавливается величина U ЦАП =1/2Uref; 2) если Uвх > U ЦАП, то получаем 1 в соответствующий разряд и Uвх сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то получаем 0 в соответствующем разр. И следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref). 3) Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

SAR АЦП: схема 12

SAR АЦП: работа схемы 13

SAR АЦП: алгоритм заполнения регистра 14 1) В выходном регистре (регистре ЦАП) устанавливается в 1-ое значение старшая единица, по умолчанию регистр в нулевом состоянии. 2) Если Uвх U ЦАП, то единица сохраняется, иначе заменяется на ноль. 3) Если остались младшие разряды в регистре, то переходим к следующему младшему разряду и устанавливаем его в 1-ое значение и переходим в п. 2), иначе переходим в п. 4). 4) В выходном регистре сформировалась двоичная комбинация.

SAR АЦП: «+» и «-» 15 + Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767). – Большая апертурная неопределенность (разброс значений выборок в процессе кодирования), что резко ограничивает частотный диапазон входных сигналов АЦП. Апертурная неопределенность уменьшается при применении устройства выборки и хранения (УВХ) – схемы, запоминающей аналоговое значение входного напряжения и хранящей в течение всего времени преобразования.

АЦП с двухтактным интегрированием: схема 16

АЦП с интегратором: обозначения на схеме 17 Автоматическая коррекция погрешности (A/Z). Интегрирование входного напряжения в течение фиксированного времени (INT). Интегрирование опорного напряжения, т.е. разряд интегрирующего конденсатора Синт (DI). Коррекция нуля интегратора (ZI).

АЦП с интегратором: работа схемы 18

АЦП с интегратором: «+» и «-» 19 + Высокая точность, соответствующая двоичным разрядам. Кроме того, в данных АЦП происходит сглаживание случайных флуктуаций входного сигнала, вызванных внешними наводками. – Высокие требования к качеству С инт, невысокое быстродействие.

Комбинированный АЦП 20 При необходимости иметь повышенную разрядность (с сохранением высокого быстродействия при приемлемой сложности применяют параллельно-последовательные (комбинированные) АЦП. В них несколько малоразрядных АЦП параллельного действия соединяются последовательно между собой.

Комбинированный АЦП: схема 21 Входной аналоговый сигнал подаётся на первый АЦП, на выходе которого формируются старшие разряды выходного кода. Эти разряды подключаются также на вход ЦАП. Выходной сигнал ЦАП сравнивается в усилителе разности (УР) с входным сигналом. Разнос этих сигналов подается на вход второго АЦП, который преобразует его в выходной код младших разрядов.

Конвейерный АЦП 22 Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП (комбинированный) сначала происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП.

Конвейерный АЦП: схема 23

Конвейерный АЦП: работа схемы 24 Роль аналогового элемента задержки выполняет устройство выборки-хранения УВХ2, а цифрового – четыре D- триггера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один период тактового сигнала CLK. Сигналы выборки, формируемые из тактового сигнала, поступают на УВХ1 и УВХ2 в разные моменты времени. УВХ2 переводится в режим хранения позже, чем УВХ1 на время, равное суммарной задержек распространения сигнала по АЦП1 и ЦАП. Задний фронт тактового сигнала управляет записью кодов в D-триггеры и выходной регистр. Полная обработка входного сигнала занимает около двух периодов CLK, но частота появления новых значений выходного кода равна частоте тактового сигнала.

Параметры МС АЦП 25 Статические Число разрядов. Разрешающая способность. Характеристика преобразования. Диапазон входного напряжения. Погрешность коэффициента преобразования. Погрешность дифференциальной линейности. Динамические Время преобразования. Максимальная частота преобразования. Апертурное время.

Параметры МС АЦП: статические 26 Число разрядов (n) (разрядность АЦП) равно двоичному логарифму максимального числа возможных кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, децибелах или значениях величины EMP. В литературе кроме EMP используется понятие МЗР (Младший Значащий Разряд).

Параметры МС АЦП: статические 27 Характеристика преобразования (ХП) АЦП – зависимость между значениями входного аналогового напряжения и выходного кода называется. ХП АЦП, как и для ЦАП, может быть определена в виде таблиц, графиков или формул. Точки на оси абсцисс соответствуют напряжениям межкодовых переходов. На оси ординат – выходным цифровым кодам. Напряжение межкодового перехода – такое входное аналоговое напряжение, статические вероятности преобразования которого в заданное и предшествующее заданному равны значению выходного кода.

Параметры МС АЦП: ХП 28

Параметры МС АЦП: статические 29 Шаг квантования (ступень квантования, квант преобразования) – разность значений напряжений заданного и следующего за ним межкодового переходов. Диапазон входного напряжения – интервал значений напряжения от начальной до конечной точки ХП.

Параметры МС АЦП: статические 30 Напряжение смещения нуля – параллельный сдвиг реальной ХП АЦП вдоль оси абсцисс. Погрешность коэффициента преобразования АЦП (отклонение коэффициента преобразования от номинального значения) – разность между действительным и номинальным значениями коэффициента преобразования (разность между действительной и номинальной крутизной ХП АЦП). При этом номинальное значение коэффициента преобразования определяется тангенсом угла наклона к оси абсцисс прямой, проведенной через начальную и конечную точки номинальной ХП идеального АЦП.

Параметры МС АЦП: статические 31 Погрешность дифференциальной линейности в заданной точке ХП – разность между значением номинального кванта преобразования и средним действительным значением кванта преобразования. Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов – свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от минимального до максимального. Монотонность функции преобразования – неизменность знака приращения выходного кода АЦП при положительном изменении входного преобразуемого сигнала.

Параметры МС АЦП: динамические 32 Время преобразования t пр – интервал времени от начала изменения входного напряжения до момента, при котором код на выходе АЦП будет отличаться от номинального не более, чем на значение статической погрешности. t пр =t з +t ц. Время задержки запуска t з – минимальное время с момента подачи скачкообразного сигнала на аналоговый вход АЦП до момента подачи сигнала запуска АЦП, при котором выходной код отличается от номинального более, чем на значение статической погрешности. Время цикла кодирования t ц – время, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала. Время t ц определяется задержкой сигналов в блоках АЦП.

Параметры МС АЦП: динамические 33 Максимальная частота преобразования – частота дискретизации входного сигнала, при котором параметры АЦП не выходят за заданные пределы. В основном под максимальной частотой преобразования понимают величину, обратную t пр. Когда входной сигнал изменяется в течение времени преобразования, динамические параметры АЦП, наряду со временем преобразования, характеризуются апертурным временем, апертурной неопределенностью (апертурной дрожью). Апертурное время t а – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому оно относится. Для исключения влияния апертурного времени на точностные параметры АЦП изменение сигнала на аналоговом входе должно быть меньше значения 1EMP.

Лекция 10. МС АЦП Схемотехника ЭВМ ч.2 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ Мальчуков Андрей Николаевич Томск – 20 13