Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи

Параллельный АЦП.

Такой АЦП был использован в параграфе 14.1 для иллюстрации прямого способа преобразования, который является самым быстрым и позволяет за несколько (теоретически за один) тактов сформировать требуемый цифровой код. Для выявления его особенностей рассмотрим модифицированный вариант схемы трехразрядного АЦП, изображенный на рис. 14.29.

С помощью делителя из восьми резисторов опорное напряжение (/оп делится на семь уровней, каждый из которых подается на инвертирующий вход соответствующего компаратора. Преобразуемое входное напряжение 1/вх поступает на прямой вход каждого компаратора. Состояния компараторов зависят от уровня напряжения 17вх и представляют собой восемь 7-разрядных кодовых комбинаций, которые приведены в табл. 14.3. Выходные напряжения компараторов поступают в преобразователь кодов, который формирует на выходе АЦП двоичный код, соответствующий уровню входного напряжения ?/вх.

Как очевидно из рис. 14.29 и табл. 14.1, по мере увеличения входного напряжения 0ВХ на ?/оп/8 происходит установка очередного компаратора в состояние «1». При быстром нарастании (7ВХ такая очередность не гарантируется из-за различия во времени задержки, т.е. компараторы могут переключаться в другом порядке. Для со-

Трехразрядный параллельный АЦП

Рис. 14.29. Трехразрядный параллельный АЦП

Таблица 143

Входное напряжение UBX

Состояние компараторов

вдвдедх,

Выходы АЦП

Wo

о < и„ < UJ 8

0000000

000

UJ8n<2VJ8

0000001

001

2Uon/8m<3UJ8

0000011

010

WJ8

0000111

он

4i/on/8 < ?/вх < 5?/on/8

0001111

100

5Uon/8m<6UJ8

0011111

101

8UJ8m

опии

по

1UJ8

1111111

111

блюдения очередности переключения используют приоритетные шифраторы, которые не принимают во внимание единицы в младших разрядах, что позволяет избежать ошибки.

При непосредственном подключении приоритетного шифратора к выходу АЦП может также возникнуть ошибочный результат. Например, при переходе от выходного кода У2Г, У0 = 011 к 100 старший разряд Y2 вследствие меньшего времени задержки может изменить свое состояние раньше других разрядов, а два младших - сохранить свое состояние Y{Y0= 11. В этом случае на выходе временно возникнет ошибочный код 1112 (т.е. число 710 вместо 410), приводящий к ошибке почти в половину измеряемого диапазона. Указанную проблему устраняют путем использования:

  • • сверхскоростных устройств выборки-хранения со временем выборки порядка 0,1 нс;
  • • кода Грея, в котором две соседние кодовые комбинации отличаются значением только в одном разряде;
  • • двухтактного цикла, когда сначала состояния выходов компараторов фиксируются, а затем, после установления состояния приоритетного шифратора, в выходной регистр записывается код Y2Y{Y0.

Благодаря одновременному формированию всех разрядов выходного кода рассмотренный преобразовать часто называют одношаговым АЦП, АЦП флеш-типа (flash — миг, мгновенье, вспышка), АЦП мгновенного преобразования. Параллельные АЦП способны работать на частотах дискретизации 200 МГц и выше, позволяют получить 1,5 млрд отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 2,2 нс [15, 57].

Главный недостаток параллельных АЦП состоит в том, что для получения iV-разрядного выходного слова требуется 2N резисторов и 2lV- 1 компараторов (4095 при N= 12). Наличие резистивного делителя напряжения с высокой точностью номиналов (около 0,02%) может потребовать трудоемкого и дорогого технологического процесса их подгонки. Большое количество используемых элементов обуславливает неэффективное использование площади кристалла микросхемы, значительную потребляемую мощность (свыше 5 Вт), а также высокую стоимость.

Последовательно-параллельные многоступенчатые АЦП позволяют в значительной степени упростить схемное решение преобразователя и сохранить достаточно высоким их быстродействие.

Классический двухступенчатый АЦП. Для упрощения АЦП с минимальными потерями быстродействия используют способ последовательно-параллельного преобразования. Проиллюстрируем его особенности на примере двухступенчатого АЦП с разрядностью 2N. Схема преобразователя для N=4 изображена на рис. 14.30, а.

В его состав входят:

  • • два идентичных одношаговых А-разрядных преобразователя (АЦП,, АЦП.,), построенных по параллельной схеме. При этом АЦП, выполняет грубое преобразование, формируя А старших разрядов УТ..УЛ, а затем АЦП., — точное преобразование, формируя А младших разрядов К3...У0;
  • • ЦЛП, предназначенный для получения напряжения ПЦА||, соответствующего А старшим разрядам кода. Напряжение 1/ЦЛП отличается от IIт, т.е. содержит ошибку;
  • • вычитатель или фиксатор ошибки (Д): Пд = Пвх - ?/цлп;
Структурная схема двухступенчатого последовательнопараллельного АЦП (а) и временные диаграммы его работы (б)

Рис. 1430. Структурная схема двухступенчатого последовательнопараллельного АЦП (а) и временные диаграммы его работы (б)

  • • усилитель в 2Л' раз, используемый для создания одинаковых условий работы АЦП2 и АЦП, в силу их идентичности. Благодаря усилению выравниваются диапазоны изменения входного напряжения и весовые коэффициенты младших разрядов приводятся в соответствие с коэффициентами старших;
  • • составной регистр для хранения старших (СР) и младших (МР) разрядов выходного кода.

Принцип работы преобразователя проиллюстрирован на временных диаграммах, изображенных иа рис. 14.30, б. В первом такте на выходе АЦП, формируется Л' старших разрядов кода (У7...У4), которые по срезу импульса записываются в регистр СР. Разряды К7...У4 с помощью ЦЛП преобразуются в напряжение Ццл[|. На выходе вычитателя выделяется разностное напряжение иА, которое после усиления поступают на вход АЦП2. Эти процессы должны закончиться к концу первого такта. Во втором такте напряжение 1611л с помощью АЦП2 преобразуется в М-разрядный код младших разрядов (У3...У0), который по срезу второго такового импульса заносится регистр МР.

Таким образом, но сравнению с 2Л'-разрядным параллельным АЦП быстродействие рассмотренного преобразователя в два раза ниже. Но если для создания параллельного АЦП потребовалось бы 28 - 1 = 255 компараторов, то для создания двухступенчатого последовательно-параллельного преобразователя — всего 2(21 — 1) = = 30 компараторов, т.е. выигрыш составляет более восьми раз.

Приведенную на рис. 14.30, а схему двухступенчатого АЦП нетрудно обобщить на большее количество ступеней. В мноступенча- тых АЦП с подобной архитектурой на входе каждого АЦП следует включать устройство выборки и хранения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >