 |
ЦАП с суммированием напряжений
|
|
|
|
Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. 8.12. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S 0… S 255 может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение U AB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит
U WB= U AB D.
Рис.5.7.
Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Например, микросхема AD8403 содержит четыре восьмиразрядных ЦАП, выполненных по схеме на рис. 8.12, с сопротивлением между выводами А и В 10, 50 либо 100 кОм в зависимости от модификации. При подаче активного уровня навход “Экономичный режим” происходит размыкание ключа S откли замыкание ключа S 0. ИМС имеет вход сброса, которым ЦАП можно установить на середину шкалы. Фирма DallasSemiconductor выпускает несколько моделей ЦАП (например, сдвоенный DS1867) с суммированием напряжений, у которых входной регистр представляет собой энергонезависимое оперативное запоминающее устройство, что особенно удобно для построения схем с автоматической подстройкой (калибровкой). Недостаток схемы – необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2N) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе, например, AD5301, AD5311 и AD5321.
|
|
|
Обзор способов постройки АЦП
Параллельные АЦП
АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 3 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.
Рис.5.8.
С помощьютрех двоичныхразрядов можно представитьвосемь различныхчисел, включаянуль. Необходимо, следовательно, семькомпараторов. Семь соответствующихэквидистантныхопорных напряженийобразуютсяс помощью резистивногоделителя.
Если приложенноевходноенапряжениене выходит запределы диапазонаот 5/2h,до 7/2h,где h=Uоп/7- квант входного напряжения, соответствующий единицемладшего разрядаАЦП,то компараторыс 1-го по 3-йустанавливаютсявсостояние1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние0. Преобразованиеэтой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором, диаграмма состояний которого приведена в табл.5.1.
Таблица 5.1
| Входноенапряжение | Состояниекомпараторов | Выходы | ||||||||
| Uвх/h | К7 | К6 | К5 | К4 | К3 | К2 | К1 | Q2 | Q1 | Q0 |
Подключениеприоритетного шифраторанепосредственнок выходуАЦП может привестик ошибочномурезультатупри считываниивыходного кода. Рассмотрим, например переход от трех к четырем, или в двоичномкодеот 011 к 100. Если старший разрядвследствиеменьшеговремени задержкиизменит своесостояниераньшедругих разрядов, то временнона выходе возникнет число 111,т.е. семь. Величинаошибки в этомслучае составит половинуизмеряемогодиапазона.
|
|
|
Так как результатыАЦ-преобразованиязаписываются, как правило, в запоминающее устройство, существуетвероятность получитьполностьюневернуювеличину. Решить эту проблемуможно, например, с помощью устройствавыборки-хранения(УВХ). Некоторые интегральныемикросхемы (ИМС) параллельныхАЦП, например МАХ100, снабжаются сверхскоростными УВХ, имеющими времявыборкипорядка0,1 нс. Другой путь состоит в использованиикодаГрея, характернойособенностью которого являетсяизменениетолько одной кодовой позиции при переходеотодного кодового значенияк другому. Наконец, в некоторых АЦП (например, МАХ1151) для снижениявероятностисбоев при параллельном АЦ- преобразованиииспользуетсядвухтактный цикл, когдасначала состояниявыходов компараторов фиксируются, а затем,после установлениясостоянияприоритетногошифратора, подачей активногофронтана синхровход выходногорегистрав него записываютвыходноеслово АЦП.
Как видно из табл. 1, приувеличениивходного сигнала компараторы устанавливаютсяв состояние1 по очереди - снизувверх. Такаяочередность не гарантируетсяпри быстром нарастаниивходного сигнала, так как из-за различияво временахзадержкикомпараторымогут переключатьсяв другомпорядке.Приоритетноекодированиепозволяет избежатьошибки, возможной в этомслучае, благодарятому, что единицы в младших разрядахнепринимаютсяво вниманиеприоритетнымшифратором.
Благодаряодновременнойработекомпараторов параллельныйАЦП являетсясамымбыстрым. Например, восьмиразрядныйпреобразовательтипа МАХ104 позволяет получить 1 млрд отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более1,2нс. Недостаткомэтой схемы являетсявысокаясложность. Действительно,N-разрядныйпараллельныйАЦП сдержит 2N-1 компараторов и 2N согласованныхрезисторов. Следствиемэтого являетсявысокаястоимость (сотни долларов США) и значительнаяпотребляемая мощность. ТотжеМАХ104, например, потребляет около 4 Вт.
|
|
|
МногоступенчатыеАЦП
В многоступенчатомАЦП процесспреобразованиявходного сигналаразделен в пространстве.
В качествепримеранарис. 4 представленасхемадвухступенчатого8-разрядногоАЦП.
Рис 5.9.
Верхний по схемеАЦП осуществляет грубоепреобразованиесигналав четырестарших разряда выходногокода. Цифровыесигналы с выходаАЦП поступают на выходной регистри одновременнона вход 4-разрядногобыстродействующегоЦАП.Вомногих ИМС многоступенчатыхАЦП (AD9042, AD9070 идр.) этот ЦАП выполнен по схеме суммирования токов на дифференциальныхпереключателях, но некоторые(AD775, AD9040Aи др.) содержат ЦАП с суммированиемнапряжений. Остатокот вычитаниявыходного напряженияЦАП из входного напряжениясхемы поступает на вход АЦП2, опорноенапряжениекоторого в 16раз меньше, чем уАЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньшеквантаАЦП1. Этот остаток, преобразованныйАЦП2 в цифровую форму представляетсобой четыре младших разряда выходногокода. РазличиемеждуАЦП1 иАЦП2 заключаетсяпреждевсего в требованиик точности:уАЦП1точностьдолжнабыть такой жекаку8-разрядногопреобразователя, в товремя как АЦП2может иметь точность4-разрядного.
Грубо приближеннаяи точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению Uвх(tj).Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временнoе запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет полученовсе число.
|
|
|
