Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи

Цифровая обработка сигналов в режиме реального времени требует для некоторых приложений высокого быстродействия аппаратных средств. Это быстродействие, как правило, выражается в достаточно высокой частоте дискретизации непрерывного сигнала (от сотен килогерц до сотен мегагерц). Примерами таких приложений могут являться:

цифровая обработка телевизионных сигналов;
измерение сигналов малой длительности или сигналов высокой частоты;
обработка информации от большого количества различных источников с аналоговым выходом;
быстродействующие автоматические системы управления и т. д.

Недостатком различных схем преобразования аналогового сигнала в цифровой код (АЦП времяимпульсного типа, АЦП кодоимпульсного типа и т. д.), разработанных ранее, является их низкое быстродействие, т. е. большая длительность цикла преобразования. Многие такие схемы преобразования успешно применяются в различной аппаратуре обработки звука и в других областях, не требующих высоких частот дискретизации (как правило, до 100 КГц). Однако для обработки "двумерных" сигналов (например, изображение) в реальном масштабе времени быстродействия этих систем недостаточно.

Далее будет рассмотрен один из возможных вариантов реализации быстродействующего аналого-цифрового преобразователя, частота дискретизации для которого может составлять несколько сотен мегагерц.

Сначала рассмотрим ключевой элемент подобного АЦП - аналоговый компаратор напряжения.

Аналоговый компаратор напряжения предназначен для сравнения измеряемого напряжения с образцовым (опорным) и выдачи результатов сравнения в цифровой форме. Результатами сравнения является логическая 1, если измеряемое напряжение больше опорного, и логический 0, если измеряемое напряжение меньше опорного. Подобный компаратор имеет два входа - один вход для подачи измеряемого напряжения, другой вход для подачи образцового напряжения. На выходе компаратора формируется напряжение, соответствующее логической 1 или 0 в зависимости от рзультатов сравнения. Опорное напряжение обычно является постоянным, в то время как измеряемое напряжение может быть переменным. Для повышения точности сравнения опорное напряжение должно быть сформировано из напряжения стабилизированного источника питания с высоким коэффициентом стабилизации. Основной технической характеристикой компаратора является его быстродействие, выражаемое в задержке появления выходного кода при подаче измеряемого и опорного напряжений. Для определения факторов, влияющих на быстродействие компаратора рассмотрим его возможную внутреннюю структуру (рис. 1).

Основным элементом компаратора по предложенной структуре является операционный усилитель (ОУ) с большим коэффициентом усиления. Коэффициент усиления, в основном, и определяет быстродействие компаратора. Также быстродействие компаратора зависит от характеристики ОУ, определяемой как время нарастания выходного напряжения (измеряется в вольтах на микросекунду). Этот фактор практически полностью зависит от технологического процесса изготовления ОУ и использованных в нём материалов. Рассмотрим каким образом коэффициент усиления ОУ компаратора влияет на быстродействие компаратора. Для этого рассмотрим сначала структуру и работу ОУ (рис. 2).

Как видно из схемы, ОУ состоит из дифференциального усилителя, усилителя мощности и источника тока для дифференциального усилителя. ОУ имеет два входа - инвертирующий и неинвертирующий. Сигналы с этих входов подаются на дифференциальный усилитель (ДУ). ДУ усиливает разностный сигнал, т. е. сигнал, получаемый вычитанием из сигнала на неинвертирующем входе сигнала на инвертирующем входе. Для питания эмиттерных цепей ДУ служит источник тока, который преобразует напряжение питания ОУ в ток постоянного значения (т. е. в идеале при подключении к источнику тока нагрузки с любым активным сопротивлением, ток через нагрузку будет всегда иметь одно и то же значение). Усиленный ДУ разностный сигнал поступает на усилитель мощности, где сигнал усиливается по амплитуде. Также, усилитель мощности согласует выход ОУ с подключённой к ОУ нагрузкой.

Пусть теперь на инвертирующий вход ОУ подано опорное напряжение, а на неинвертирующий вход подано измеряемое напряжение. Пусть ОУ также обладает каким либо коэффициентом усиления k разностного сигнала. Напряжение на выходе ОУ равно: Uвых = k * (Uизм - Uоп), где Uизм - измеряемое напряжение, Uоп - опорное напряжение. Рассмотрим три случая:

Измеряемое напряжение больше опорного. В этом случае разностное напряжение, усиливаемое ДУ, будет положительным. Напряжение на выходе ОУ также будет положительным.
Измеряемое напряжение меньше опорного. В этом случае разностное напряжение, усиливаемое ДУ, будет отрицательным. Напряжение на выходе ОУ также будет отрицательным.
Измеряемое напряжение равно опорному. Усиливаемое ДУ разностное напряжение равно 0. Напряжение на выходе ОУ также равно 0.

Таким образом видно, что на выходе ОУ будет ненулевое напряжение, только когда измеряемое напряжение не равно опорному. Рассмотрим подробнее первые два случая. Дело в том, что напряжение на выходе ОУ не может превышать напряжение питания ОУ. Напряжение на выходе ОУ всегда на определённое значение меньше напряжения питания. Например, питание ОУ двуполярное ±15В. Тогда напряжение на выходе ОУ никогда не превышает, скажем, ±12В. Если теперь разностное напряжение превысит максимальное выходное напряжение ОУ в k раз, то усиления разностного напряжения происходить не будет - выходные каскады усилителя мощности войдут в состояние насыщения и дальнейшее повышение разностного напряжения не приведёт к изменению выходного напряжения.

Пусть теперь измеряемое напряжение изменяется линейно (на отдельных участках) от значения опорного напряжения и выше. В этом случае выходное напряжение ОУ также изменяется по линейному закону до значения максимального выходного напряжения (рис. 3). Коэффициент усиления ОУ на рисунке принят равным 4. Наклон функции выходного напряжения в k раз превышает наклон функции разностного напряжения (производная выходного напряжения в k раз больше производной разностного напряжения). Чем больше коэффициент усиления k, тем быстрее выходное напряжение достигнет максимума. Если считать, что результат сравнения получен тогда, когда достигнуто максимальное напряжение на выходе ОУ, то получаем, что точность и быстродействие компаратора зависят главным образом от коэффициента усиления ОУ. Если рассматривать идеальный ОУ, то его коэффициент усиления равен бесконечности, а компаратор, собранный на таком ОУ, обладает бесконечно высоким быстродействием.

Быстродействие компаратора также ограничивается полосой пропускания его внутренних схем. Так как идеальный прямоугольный импульс (нарастание выходного напряжение ОУ от 0 до максимума за бесконечно малое время) имеет бесконечный спектр, а полоса пропускания внутренних схем компаратора ограничена, фронты прямоугольного импульса сглаживаются, снижая быстродействие компаратора.

Возвращаясь к структуре компаратора, можно отметить, что преобразователь уровня выполняет следующие основные функции:

игнорирует отрицательное напряжение на выходе ОУ, приравнивая его к 0;
преобразует максимальное положительное напряжение на выходе ОУ к напряжению логической 1 используемого типа логики;
обеспечивает на выходе компаратора требуемый коэффициент разветвления по выходу.

Рассмотрим теперь, собственно, быстродействующий АЦП с использованием описанных выше аналоговых компараторов напряжения. Структурная схема такого АЦП показана на рис. 4.

Количество компараторов в АЦП равно 2^n - 1, где n - количество разрядов выходного кода. Компараторы на входе АЦП формируют на своих выходах так называемый "термометорный код" - единицы на выходах компараторов как бы формируют столбик ртути термометра для входного напряжения АЦП. Единицы появляются на выходах компараторов начиная с нижнего и заканчивая тем, для которого опорное напряжение больше или равно измеряемому. Резисторный делитель напряжения формирует необходимые опорные напряжения для каждого компаратора. Опорное напряжение для конкретного компаратора представляет собой сумму N уровней квантования, где N - номер компаратора, считая снизу. Таким образом, каждый компаратор определяет больше ли входное напряжение суммы уровней квантования для этого компаратора. Если оно больше, то на выходе компаратора устанавливается логическая 1, в противном случае - 0. Если на выходе некоторого компаратора установилась логическая 1, то все компараторы ниже этого также имеют единицы на своих выходах. Это объясняется тем, что опорное напряжения для компараторов, расположенных по схеме ниже данного, ниже опорного напряжения данного компаратора. Опорное напряжение компаратора, расположенного прямо под заданным компаратором на схеме, ниже на один уровень квантования опорного напряжения заданного компаратора.

Нижняя точка резисторного делителя напряжения подключена к минусу источника питания, а верхняя точка - к плюсу. При подобной организации АЦП имеется возможность преобразовывать и отрицательные и положительные значения напряжения в диапазоне от минуса источника питания до плюса источника питания. Если применить каскадирование АЦП (рис. 5), то суммарное количество разрядов на выходах каскадируемых АЦП повышается. Цепочка резисторов в делителе, начиная снизу, определяет сумму уровней квантования для формирования опорного напряжения конкретного АЦП. Достоинством применяемого резисторного делителя напряжения является то, что все резисторы в нём имеют одинаковое сопротивление, что легко реализовать в корпусе микросхемы АЦП. Сопротивление каждого резистора делителя зависит, в основном, от входного сопротивления АЦП и требований, предъявляемых к энергопотреблению АЦП. Питание резисторного делителя напряжения рекомендуется производить от стабилизированного источника питания, что повышает точность преобразования АЦП.

Регистр-защёлка, показанный на схеме, выполняет процесс сэмплирования для входного сигнала АЦП. На регистр подаются синхроимпульсы с частотой равной частоте дискретизации. По заднему фронту каждого импульса регистр запоминает состояние выходов компараторов до прихода следующего синхроимпульса и выдаёт это состояние на выход.

Блок декодирующей логики предназначен для преобразования цифрового кода на выходах компараторов в двоичный цифровой код на выходе АЦП. Существует несколько подходов к проблеме такого преобразования. Для понимания проблемы преобразования рассмотрим особенности работы блока компараторов на входе АЦП.

При работе АЦП могут возникнуть следующие ситуации в блоке компараторов:

На низких частотах выходное напряжение какого-либо компаратора может оказаться в диапазоне между 0 и 1 (неопределённое состояние), что может быть ошибочно воспринято регистром-защёлкой за 0 (вместо 1) или за 1 (вместо 0). Это приводит к погрешности преобразования напряжения в код. При использовании логики с прямым декодированием погрешность может достигнуть огромных значений. Например, 128-й компаратор для такого типа логики определяет значение старшего значащего бита в 8-ми разрядном выходном коде АЦП. При появлении ошибочного значения на выходе этого компаратора вместо, например, кода 01111111 на выходе АЦП появится код 11111111. Если в декодирующей логике используется преобразование с использованием кода Грэя, то значение ошибки на выходе АЦП не превышает веса младшего разряда выходного кода. Как правило, вместо использования кода Грэя в таких АЦП используется псевдо-код Грэя.
На высоких частотах задержки сравнения измеряемого и опорного напряжений для разных компараторов могут быть различными. Это также приводит к записи ошибочной информации в регистр-защёлку.

Для устранения первой проблемы блок декодирующей логики должен учитывать "истинный" вес разряда регистра-защёлки как вес младшего разряда выходного кода АЦП. Тогда при ошибочном значении разряда на выходе регистра-защёлки ошибка преобразования будет равна весу младшего разряда выходного кода АЦП. Для уменьшения вероятности появления на выходе компаратора неопределённого значения требуется повысить коэффициент усиления ОУ компаратора.

Для устранения второй проблемы требуется правильно рассчитать длительность синхронизирующих импульсов, поступающих на регистр-защёлку. Эта длительность может не на много превышать максимально возможную задержку сравнения компаратора. При этом нужно найти компромисс между длительностью синхроимпульса и быстродействием АЦП.

Опциональный регистр-защёлка на выходе АЦП служит для запоминания выходного кода АЦП в промежутки между командами преобразования (синхроимпульсами). Этот регистр также может служить для выполнения АЦП некоторых преобразований над своим выходным кодом.

Рассмотрим теперь возможную схему включения АЦП (рис. 6). Пусть требуется записать данные на выходе АЦП в некоторую буферную память. Проблема, однако, заключается в том, что быстродействие АЦП может превышать быстродействие памяти или частота дискретизации АЦП может превышать тактовую частоту памяти. В этом случае можно составить блок памяти из нескольких банков. Тактовая частота для блока памяти с подобной организацией может быть ниже частоты дискретизации АЦП в то количество раз, сколько банков имеется в таком блоке памяти. На рисунке показан блок памяти, состоящий из двух банков.

На схеме также показан фильтр на входе АЦП. Фильтр предназначен для ослабления частот спектра входного сигнала, лежащих выше половины частоты дискретизации. Это нужно для выполнения условий теоремы Котельникова и для предотвращения искажений выходного кода АЦП, происходящих в результате аналого-цифрового преобразования частот выше половины частоты дискретизации. Параметры фильтра следует выбирать с учётом внутренней ёмкости АЦП по входу.

Масштабирующий усилитель, показанный на схеме, приводит диапазон значений входного напряжения системы к диапазону напряжений, допускаемому АЦП ("масштабирует" напряжение).