Аналого-цифровий перетворювач, Типи АЦП

13.04.2017

Комп’ютери — Аналого-цифровий перетворювач — Типи АЦП

9. Типи АЦП

Нижче перераховані основні способи побудови електронних АЦП:

  • АЦП прямого перетворення:
    • Паралельні АЦП прямого перетворення, повністю паралельні АЦП, містять по одному компаратору на кожен дискретний рівень вхідного сигналу. У будь-який момент часу тільки компаратори, відповідні рівням нижче рівня вхідного сигналу, видають на своєму виході сигнал перевищення. Сигнали з усіх компараторів надходять або прямо в паралельний регістр, тоді обробка коду здійснюється програмно, або на апаратний логічний шифратор, апаратно генерує потрібний цифровий код в залежності від коду на вході шифратора. Дані з шифратора фіксуються в паралельному регістрі. Частота дискретизації паралельних АЦП, в загальному випадку, залежить від апаратних характеристик аналогових і логічних елементів, а також від необхідної частоти вибірки значень.

Паралельні АЦП прямого перетворення — найшвидші, але зазвичай мають дозвіл не більше 8 біт, так як тягнуть за собою великі апаратні витрати. АЦП цього типу мають дуже великий розмір кристала мікросхеми, високу вхідну ємність, і можуть видавати тимчасові помилки на виході. Часто використовуються для відео або інших високочастотних сигналів, а також широко застосовуються в промисловості для відстеження процесів, що швидко змінюються в реальному часі.

      • Паралельно-послідовні АЦП прямого перетворення, частково послідовні АЦП, зберігаючи високу швидкодію дозволяють значно зменшити кількість компараторів» src=»http://upload.wikimedia.org/math/f/5/4/f547692f5a6c17b6c74499615673747f.png» />, де n — число біт вихідного коду, а k — число паралельних АЦП прямого перетворення), потрібний для перетворення аналогового сигналу в цифровий. Використовують два або більше кроку-піддіапазону. Містять у своєму складі k паралельних АЦП прямого перетворення. Другий, третій і т. д. АЦП служать для зменшення похибки квантування першого АЦП шляхом оцифрування цієї помилки. На першому кроці здійснюється грубе перетворення. Далі визначається різниця між вхідним сигналом і аналоговим сигналом, відповідним результатом грубого перетворення. На другому кроці знайдена різниця піддається перетворенню, і отриманий код об’єднується з грубим кодом для отримання повного вигідного цифрового значення. АЦП цього типу повільніше паралельних АЦП прямого перетворення, мають високу роздільну здатність і невеликий розмір корпусу. Для збільшення швидкості вихідного оцифрованого потоку даних в паралельно-послідовних АЦП прямого перетворення застосовується конвеєрна робота паралельних АЦП.
    • Конвеєрна робота АЦП, застосовується паралельно-послідовних АЦП прямого перетворення, на відміну від звичайного режиму роботи паралельно-послідовних АЦП прямого перетворення, в якому дані передаються після повного перетворення, при конвеєрної роботі дані часткових перетворень передаються по мірі готовності до закінчення повного перетворення.
      • Послідовні АЦП прямого перетворення, повністю послідовні АЦП, повільніше паралельних АЦП прямого перетворення і трохи повільніше паралельно-послідовних АЦП прямого перетворення, але ще більше=n\cdot=n» src=»http://upload.wikimedia.org/math/9/2/7/92790df112e0a6433957c03d0f1a10d9.png» />, де n — число біт вихідного коду, а k — число паралельних АЦП прямого перетворення) зменшують кількість компараторів. Трійкові АЦП цього виду приблизно в 1,5 рази швидше сумірних за кількістю рівнів і апаратними витратами двійкових АЦП цього ж виду.
  • АЦП послідовного наближення або АЦП з поразрядным зрівноважуванням містить компаратор, допоміжний ЦАП і регістр послідовного наближення. АЦП перетворює аналоговий сигнал в цифровий за N кроків, де N — розрядність АЦП. На кожному кроці визначається по одному біту шуканого цифрового значення, починаючи від ЗЗР і закінчуючи МЗР. Послідовність дій за визначенням чергового біта полягає в наступному. На допоміжному ЦАП виставляється аналогове значення, утворене з бітів, вже визначених на попередніх кроках; біт, який повинен бути визначений на цьому кроці, виставляється в 1, більш молодші біти встановлені в 0. Отримане на допоміжному ЦАП значення порівнюється з вхідним аналоговим значенням. Якщо значення вхідного сигналу більше значення на допоміжному ЦАП, то визначається біт отримує значення 1, інакше 0. Таким чином, визначення підсумкового цифрового значення нагадує двійковий пошук. АЦП цього типу володіють одночасно високою швидкістю і високою роздільною здатністю. Однак при відсутності пристрою вибірки зберігання похибка буде значно більше.
  • АЦП диференціального кодування містять реверсивний лічильник, код з якого надходить на допоміжний ЦАП. Вхідний сигнал і сигнал з допоміжного ЦАП порівнюються на компараторі. Завдяки негативного зворотного зв’язку з компаратора на лічильник код на лічильнику постійно змінюється так, щоб сигнал з допоміжного ЦАП як можна менше відрізнявся від вхідного сигналу. Після деякого часу різниця сигналів стає менше, ніж МЗР, при цьому код лічильника зчитується як вихідний цифровий сигнал АЦП. АЦП цього типу мають дуже великий діапазон вхідного сигналу і високий дозвіл, але час перетворення залежить від вхідного сигналу, хоча і обмежена зверху. В гіршому випадку час перетворення одно Tmax =/f. де q — розрядність АЦП, f — частота тактового генератора лічильника. АЦП диференціального кодування зазвичай є хорошим вибором для оцифровки сигналів реального світу, так як більшість сигналів у фізичних системах не схильні до стрибкоподібним змінам. У деяких АЦП застосовується комбінований підхід: диференціальне кодування і послідовне наближення; це особливо добре працює у випадках, коли відомо, що високочастотні компоненти сигналу відносно невеликі.
  • АЦП порівняння з пилкоподібним сигналом містять генератор пилкоподібної напруги, компаратор і лічильник часу. Пилкоподібний сигнал лінійно наростає від нижнього до верхнього рівня, потім швидко спадає до нижнього рівня. У момент початку наростання запускається лічильник часу. Коли пилкоподібний сигнал досягає рівня вхідного сигналу, спрацьовує компаратор і зупиняє лічильник; значення зчитується з лічильника і подається на вихід АЦП. Даний тип АЦП є найбільш простим за структурою та містить мінімальне число елементів. Разом з тим найпростіші АЦП цього типу володіють досить низькою точністю і чутливі до температури і іншими зовнішніми параметрами. Для збільшення точності генератор пилоподібного сигналу може бути побудований на основі лічильника і допоміжного ЦАП, проте така структура не має ніяких інших переваг у порівнянні з АЦП послідовного наближення і АЦП диференціального кодування.
  • АЦП із зрівноважуванням заряду містять генератор стабільного струму, компаратор, інтегратор струму, тактовий генератор і лічильник імпульсів. Перетворення відбувається у два етапи. На першому етапі значення вхідної напруги перетвориться в струм, який подається на інтегратор струму, заряд якого рівний нулю. Цей процес триває протягом часу TN, де T — період тактового генератора, N — константа. По закінченні цього часу вхід інтегратора відключається від входу АЦП підключається до генератора стабільного струму. Полярність генератора така, що він зменшує заряд, накопичений в інтеграторі. Процес розряду триває до тих пір, поки заряд в інтеграторі не зменшиться до нуля. Час розряду вимірюється шляхом рахунки тактових імпульсів від моменту початку розряду до досягнення нульового заряду на інтеграторі. Порахована кількість тактових імпульсів і буде вихідним кодом АЦП. Можна показати, що кількість імпульсів n, порахована за час розряду, дорівнює: n=Uвх N, де Uвх — вхідна напруга АЦП, N — число імпульсів етапу накопичення, R — опір резистора, перетворюючого вхідна напруга струм, I0 — значення струму від генератора стабільного струму, разряжающего інтегратор на другому етапі. Таким чином, потенційно нестабільні параметри системи не входять до підсумкове вираз. Це є наслідком двухстадийности процесу: похибки, введені на першому і другому етапах, взаємно віднімаються. Не пред’являються жорсткі вимоги навіть до довготривалої стабільності тактового генератора і напрузі зміщення компаратора: ці параметри повинні бути стабільними лише короткочасно, тобто протягом кожного перетворення. Фактично, принцип двостадійного інтегрування дозволяє безпосередньо перетворювати відношення двох аналогових величин відношення числових кодів практично без внесення додаткових помилок. Типова розрядність АЦП цього типу становить від 10 до 18 двійкових розрядів. Додатковою перевагою є можливість побудови перетворювачів, нечутливих до періодичних перешкод завдяки точному інтегрування вхідного сигналу за фіксований часовий інтервал. Недоліком даного типу АЦП є низька швидкість перетворення. АЦП із зрівноважуванням заряду використовуються у вимірювальних приладах високої точності.
  • АЦП із проміжним перетворенням в частоту проходження імпульсів. Сигнал з датчика проходить через перетворювач рівня, а потім через перетворювач напруга-частота. Таким чином на вхід безпосередньо логічної схеми надходить сигнал, характеристикою якого є лише частота імпульсів. Логічний лічильник приймає ці імпульси на вхід протягом часу вибірки, таким чином, видаючи до її закінчення кодову комбінацію, чисельно дорівнює кількості імпульсів, які прийшли на перетворювач за час вибірки. Такі АЦП досить повільні і не дуже точні, але тим не менш дуже прості у виконанні і тому мають низьку вартість.
  • Сигма-дельта-АЦП виробляє аналого-цифрове перетворення з частотою дискретизації, у багато разів перевищує необхідну і шляхом фільтрації залишає в сигналі тільки потрібну спектральну смугу.

Неелектронні АЦП зазвичай будуються на тих же принципах.

Комерційні АЦП

Як правило, випускаються у вигляді мікросхем.

Для більшості розрядність АЦП становить від 6 до 24 біт, частота дискретизації до 1 МГц. Мега — і гігагерцовим АЦП також доступні. Мегагерцовые АЦП потрібні в цифрових відеокамерах, пристрої відеозахоплення і цифрових ТВ-тюнери для оцифровки повного відеосигналу. Комерційні АЦП зазвичай мають вихідну помилку від ±0,5 до ±1,5 МЗР.

Один з чинників, що збільшують вартість мікросхем — це кількість висновків, оскільки вони змушують робити корпус мікросхеми більше, і кожен висновок повинен бути приєднаний до кристалу. Для зменшення кількості висновків часто АЦП, що працюють на низьких частотах дискретизації, мають послідовний інтерфейс. Застосування АЦП із послідовним інтерфейсом часто дозволяє збільшити щільність монтажу і створити плату з меншою площею.

Часто мікросхеми АЦП мають кілька аналогових входів, підключених всередині мікросхеми до єдиного АЦП через аналоговий мультиплексор. Різні моделі АЦП можуть включати в себе пристрої вибірки-зберігання, інструментальні підсилювачі або високовольтний диференціальний вхід та інші подібні ланцюга.

Короткий опис статті: мікросхема ацп

Джерело: Аналого-цифровий перетворювач — Типи АЦП

Також ви можете прочитати