Содержание
- 2. Цифроаналоговые преобразователи ЦАП с суммированием весовых токов ЦАП на резистивной матрице R-2R При высокой разрядности ЦАП
- 3. Цифроаналоговые преобразователи Параметры ЦАП Статические параметры ЦАП Разрядность - число символов кода, необходимое для того, чтобы
- 4. Цифроаналоговые преобразователи Монотонность характеристики преобразования - возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП UВЫХ (D) при возрастании (уменьшении)
- 5. Аналого-цифровые преобразователи Аналого-цифровые преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, сопротивления, емкости)
- 6. Аналого-цифровые преобразователи Статические параметры АЦП В основном соответствуют статическим параметрам ЦАП. Динамические параметры Динамические погрешности связаны
- 7. Аналого-цифровые преобразователи Для обеспечения высокого быстродействия каждый компаратор должен иметь высокий уровень потребления энергии. К недостаткам
- 8. Аналого-цифровые преобразователи АЦП последовательного приближения Среди АЦП последовательного действия, являющихся наиболее медленными преобразователями, АЦП последовательного приближения
- 9. Аналого-цифровые преобразователи Последовательно-параллельные АЦП конвейерного типа Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение между параллельными и последовательными АЦП
- 10. Аналого-цифровые преобразователи Сигма-дельта АЦП Сигма-дельта АЦП используются для разрешений лучше 16 двоичных разрядов при высокой частоте
- 12. Скачать презентацию
Цифроаналоговые преобразователи
ЦАП с суммированием весовых токов
ЦАП на резистивной матрице R-2R
При высокой
Цифроаналоговые преобразователи
ЦАП с суммированием весовых токов
ЦАП на резистивной матрице R-2R
При высокой
при различных кодах ток, потребляемый от ИОН, различный ?что влияет на величину напряжения ИОН;
в схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.
Весовые коэффициенты задаются последовательным делением опорного напряжения с помощью матрицы R-2R.. Каждый последующий каскад делит входное напряжение на два. Каждый последующий каскад нагружен на сопротивление 2R, которое соединено параллельно с выходным сопротивлением каскада, равным также 2R. Параллельное соединение сопротивлений 2R равно R. Таким образом, последовательно включены два сопротивления величиной R, которые дают уменьшение сигнала в два раза.
ЦАП с внутренними источниками тока
Для повышения точности и быстродействия применяют схемы с использованием источников тока на биполярных транзисторах. Структура ЦАП содержит резистивный делитель типа R-2R, разрядные ключи S0…SN и управляемые ОУ источники равных токов на транзисторах VT0...VTN.
Входной двоичный код управляет включением источников, генерирующих токи, в соответствии с их весовыми коэффициентами. Эти токи суммируются, и суммарный ток либо непосредственно используется в качестве выходного, либо преобразуется в напряжение посредством операционного усилителя. Масштабные токи формируются при помощи транзисторов и набора масштабных резисторов соответствующих номиналов.
Цифроаналоговые преобразователи
Параметры ЦАП
Статические параметры ЦАП
Разрядность - число символов кода, необходимое для
Цифроаналоговые преобразователи
Параметры ЦАП
Статические параметры ЦАП
Разрядность - число символов кода, необходимое для
Разрешающая способность - приращение UВЫХ при преобразовании смежных значений Di, т.е. отличающихся на единицу МЗР. Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h = UПШ /2N-1, где UПШ - номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы), N - разрядность ЦАП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.
Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля δПШ = (εПШ /UПШ )100%. Погрешность полной шкалы является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом единиц МЗР (младший значащий разряд).
Погрешность смещения нуля - значение UВЫХ, когда входной код ЦАП равен 0. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:δСМ = (εСМ /UПШ )100%.
Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования UВЫХ (D) от оптимальной. Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в единицах МЗР. δН = (εН /UПШ )100%. Дифференциальная нелинейность - максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования UВЫХ (D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Обычно определяется в относительных единицах или в ЕМР (единица младшего разряда). δДН = ((εi +(εi+1)/UПШ )100%.
Цифроаналоговые преобразователи
Монотонность характеристики преобразования - возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП UВЫХ
Цифроаналоговые преобразователи
Монотонность характеристики преобразования - возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП UВЫХ
Температурная нестабильность ЦАП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.
Диапазон изменения напряжения (U) или тока (I) — полная шкала изменения напряжения от 0 до UВЫХ.макс или тока от 0 до IВЫХ.макс.
Полное выходное сопротивление ЦАП ZВЫХ определяется со стороны выходных зажимов. Оно зависит в основном от выходного сопротивления суммирующего усилителя и имеет порядок сотен Ом.
Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут быть устранены калибровкой (подстройкой).
Погрешности нелинейности простыми средствами устранить нельзя.
Динамические параметры ЦАП
Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы»(переходная характеристика ЦАП).
Время установления tуст - интервал времени от момента изменения входного кода до момента, когда в последний раз выполняется равенство|UВЫХ - UПШ| = d / 2.
2. Скорость нарастания - максимальная скорость изменения UВЫХ(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения ΔUВЫХ ко времени Δt, за которое произошло это приращение.
3. Частота обновления - максимальная частота, с которой может происходить смена содержимого входных регистров ЦАП.
Применение ЦАП в различной РЭА непосредственно связано со скоростью преобразования, значение которой определяется временем установления. Требуемые значения скорости преобразования изменяются в диапазоне от нескольких герц до десятков мегагерц в зависимости от области применения ЦАП. Время установления используется для разделения ЦАП на среднего, высокого и сверхвысокого быстродействия, характеризуемые соответственно значениями времени установления в пределах 20...1; 1...0,1; 0,1...0,01 мкс.
Аналого-цифровые преобразователи
Аналого-цифровые преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин
Аналого-цифровые преобразователи
Аналого-цифровые преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин
Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения U(t) в последовательность чисел U(tn), где n = 0,1,2 ..., отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция U(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов U(tn).
Вторая операция(квантование) состоит в том, что мгновенные значения функции U(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция U(t) принимает вид ступенчатой кривой UК(t).
Третья операция (кодирование) представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода. С помощью операции кодирования осуществляется условное представление численного значения величины. Переходы от исходной функции U(t) к дискретной и далее к квантованной по уровню сопряжены с некоторой потерей информации. На этапе кодирования подобные потери отсутствуют.
Дискретизация сигнала заключается в регулярном взятии отсчетов его мгновенных значений, называемых выборками. Чем меньше интервал дискретизации, тем точнее представляется сигнал. На рис. показаны примеры различного соотношения частоты сигнала и интервала дискретизации. Первый рисунок показывает, что результат будет неудовлетворительным, если частота выборок сравнима с частотой сигнала. Увеличение частоты выборок дает значительно более достоверное представление о сигнале.
Аналого-цифровые преобразователи
Статические параметры АЦП
В основном соответствуют статическим параметрам ЦАП.
Динамические параметры
Динамические погрешности
Аналого-цифровые преобразователи
Статические параметры АЦП
В основном соответствуют статическим параметрам ЦАП.
Динамические параметры
Динамические погрешности
Максимальная частота дискретизации - это наибольшая частота, с которой осуществляются выборки входного сигнала при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы.
Время преобразования - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например последовательного счета, эта величина является переменой, зависящей от значения входного сигнала. Для других, например параллельных или последовательно- параллельных, а также АЦП последовательного приближения, время преобразования примерно постоянно. При работе без УВХ время преобразования является апертурным временем(в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится).
Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.
Разновидности АЦП
Принято различать параллельные, последовательные и последовательно-параллельные АЦП. К последовательным относятся АЦП последовательного приближения, последовательного счета и интегрирующие, включающие в себя двухтактные АЦП и сигма-дельта АЦП. Последовательно-параллельный тип представлен наиболее распространенным конвейерным АЦП.
На рис. показаны возможности основных архитектур в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.
Аналого-цифровые преобразователи
Для обеспечения высокого быстродействия каждый компаратор должен иметь высокий уровень
Аналого-цифровые преобразователи
Для обеспечения высокого быстродействия каждый компаратор должен иметь высокий уровень
К недостаткам параллельных АЦП относится
высокая сложность, обусловленная большим количеством резисторов и компараторов
ограниченная разрешающая способность
большая рассеиваемая мощность (единицы ватт), что обусловливает большие размеры кристалла и высокую стоимость (сотни долларов).
цепочка опорных резисторов должна иметь низкое сопротивление для питания быстрых компараторов необходимым током смещения (источник имеет значительные токи)
Параллельные АЦП имеют разрешающую способность, соответствующую 8-10 разрядам при максимальной частоте дискретизации до 1 ГГц.
АЦП параллельного типа
Параллельные АЦП являются самым быстрым типом АЦП. Используют компараторы, работающие параллельно. N- разрядный параллельный АЦП состоит из 2N резисторов и 2N-1 компараторов.
На каждый компаратор подается опорное напряжение, значение которого для соседних точек отличается на величину младшего разряда (МЗР). При фиксированном входном напряжении все компараторы, размещенные на схеме ниже некоторой точки, имеют напряжение выше опорного напряжения. На их выходе присутствует «1». У всех компараторов выше этой точки опорное напряжение больше входного, и их выход установлен в «0». Позиционный код с компараторов подается на шифратор, где он преобразуется в N-разрядный двоичный код.
Входной сигнал подается на все компараторы сразу, поэтому схема формирует выходной код, равный времени задержки только одного компаратора и шифратора.
Аналого-цифровые преобразователи
АЦП последовательного приближения
Среди АЦП последовательного действия, являющихся наиболее медленными преобразователями,
Аналого-цифровые преобразователи
АЦП последовательного приближения
Среди АЦП последовательного действия, являющихся наиболее медленными преобразователями,
В основе работы АЦП лежит последовательное сравнение входного сигнал с 1/2N его полной шкалы, где N - номер шага сравнения. Таким образом, на первом шаге входной сигнал сравнивается с половиной его максимального сигнала, результат сравнения поступает на выход, на втором шаге входной сигнал сравнивается с четвертью максимального сигнала. Количество шагов равно разрядности АЦП, что дает большой выигрыш в быстродействии.
АЦП состоит из трех основных узлов: компаратора, ЦАП и регистра последовательного приближения РПП . После подачи команды «Пуск» устройство выборки-хранения УВХ устанавливается в режим хранения и все разряды РПП сбрасываются в «0», кроме старшего значащего разряда, который устанавливается в «1». Выходной сигнал РПП подается на внутренний ЦАП. Если выходной сигнал ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае он остается установленным. Затем следующий старший значащий разряд устанавливается в «1». Если сигнал на выходе ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае бит остается установленным. Процесс повторяется для каждого разряда. Когда все разряды будут установлены в соответствии с входным сигналом, преобразование завершится.
Точность АЦП последовательного приближения определяется стабильностью источника опорного напряжения, точностью компаратора и, в наибольшей степени, точностью и линейностью внутреннего ЦАП.
Недостатком последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Она обусловлена тем, что мгновенная выборка входного сигнала, сохраняемого в УВХ, обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи.
АЦП последовательного приближения имеют разрешающие способности 8-18 бит, частоты дискретизации до 1,5 МГц, Многие устройства являются полными системами сбора данных с входными мультиплексорами, которые позволяют одному АЦП обрабатывать много аналоговых сигналов.
Аналого-цифровые преобразователи
Последовательно-параллельные АЦП конвейерного типа
Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение между параллельными
Аналого-цифровые преобразователи
Последовательно-параллельные АЦП конвейерного типа
Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение между параллельными
Введение элементов задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразования реализует конвейерный принцип преобразования. Роль аналогового элемента задержки выполняет УВХ 2, цифрового - буферный регистр, который задерживает передачу старших разрядов на один такт.
Конвейерная архитектура значительно увеличивает частоту выборок многоступенчатого АЦП. Это дает возможность без проигрыша в быстродействии увеличивать количество ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. Однако, выполнение преобразования за три, четыре или, возможно, даже большее количество конвейерных ступеней вызывает дополнительную задержку выходных данных.
Аналого-цифровые преобразователи
Сигма-дельта АЦП
Сигма-дельта АЦП используются для разрешений лучше 16 двоичных разрядов
Аналого-цифровые преобразователи
Сигма-дельта АЦП
Сигма-дельта АЦП используются для разрешений лучше 16 двоичных разрядов
Сегодняшние скоростные цифровые схемы позволяют создавать преобразователи, действующие по принципу избыточной дискретизации и работающие с частотой выборок, значительно превосходящей теоретический минимум, определяемый шириной занимаемой сигналом полосы. Выгода от применения избыточной дискретизации заключается в том, что спектр шума квантования можно распределить по более широкому интервалу частот. Это дает возможность большую часть шума оставить вне зоны используемых частот при обратной фильтрации дискретизованного сигнала с сохранением компонентов только в полосе исходного сигнала.
Таким образом, выполняется аналого-цифровое преобразование с высоким разрешением при использовании аналого-цифрового преобразователя с низкой разрешающей способностью. Коэффициент К - коэффициент избыточной дискретизации. Избыточная дискретизация дополнительно выгодна тем, что понижает требования к аналоговому ФНЧ.
Так как ширина полосы пропускания уменьшена выходным цифровым фильтром, скорость выдачи выходных данных может быть ниже, чем первоначальная частота дискретизации (КfВ), и при этом все же удовлетворять теореме Котельникова. Это достигается посредством передачи на выход каждого М-го результата и отбрасывания остальных результатов. Процесс называют децимацией с коэффициентом М. М может принимать любое целое значение, при условии, что частота выходных данных больше, чем удвоенная ширина полосы сигнала. Прореживание не вызывает никакой потери информации.
Если использовать избыточную дискретизацию только для улучшения разрешающей способности, необходимо применять коэффициент избыточности 22N , чтобы получить N- разрядное увеличение разрешающей способности. Сигма-дельта (ΣΔ) преобразователь не нуждается в таком высоком коэффициенте избыточной дискретизации. Он не только ограничивает полосу пропускания сигнала, но также задает форму кривой распределения шума квантования таким образом, что большая ее часть выходит за пределы этой полосы пропускания, как это показано на рис. в.