АЦП с промежуточным преобразованием во временной интервал

К АЦП без промежуточного преобразования можно отнести преобразователи напряжение-частота. Частота повторения выходных импульсов таких преобразователей пропорциональна значению входного сигнала. Среди АЦП с промежуточным преобразованием чаще других используются преобразователи во временной интервал и частоту. В первом случае происходит последовательное преобразование входного сигнала во временной интервал и временного интервала в цифровой код. Во втором случае осуществляется последовательное преобразование входного сигнала в импульсы соответствующей частоты от генератора плавающей частоты, которые затем подсчитываются счетчиком за определенный интервал времени. Число зафиксированных им пульсов пропорционально входному сигналу.

Распространение получили интегрирующие АЦП с двухтактным интегрированием и с дискретной обратной связью. В преобразователях с двухтактным интегрированием выделяют АЦП с интегрированием входного сигнала за постоянный интервал времени и с интегрированием входного сигнала до заданной величины. Принцип их действий сводится к следующему: в первом такте интегрируется входной сигнал, во втором – противоположный ему по знаку опорный сигнал. Окончание первого такта интегрирования является началом второго. В течение выбранного такта интегрирования ведётся счет импульсов, который прекращается в момент равенства нулю сигнала на выходе интегратора. Число зафиксированных счетчиком импульсов пропорционально входному сигналу АЦП [1].

Сигма-дельта АЦП.

Сигма-дельта АЦП

Эти АЦП значительно отличаются от конвейерных преобразователей и не допускают прямого использования некоторых стандартных характеристик. Сигма-дельта АЦП обеспечивают высокое соотношение ENOB/SNDR (например, до 10—12 и выше) при ширине полосы входного сигнала между низкой и средней (например, 100 кГц…10 МГц).

Σ/Δ-архитектура использует обратную связь между цифровой и аналоговой частями и высокое отношение OSR (например, 10—128). Высокое значение передискретизации позволяет использовать очень простые аналоговые фильтры защиты от наложения спектров, что экономит потребляемую энергию и занимаемую площадь. Однако при этом требуется дополнительная цифровая фильтрация. В результате использования петли обратной связи
Σ/Δ-АЦП могут быть неустойчивыми при больших входных сигналах и терять в производительности. По этой причине требуется установить диагностику перегрузки. Кроме того, в этих АЦП отсутствует прямая связь между входным и выходным сигналами, поэтому для характеристики работы АЦП часто вместо таких показателей как дифференциальная/интегральная нелинейность (Differential/Integral Non-Linearity, DNL/INL) используется динамический диапазон без паразитных составляющих (Spurious Free Dynamic Range, SFDR).

Рисунок 1 иллюстрирует архитектуры конвейерного и сигма-дельта АЦП.

Σ/Δ-АЦП выполнен в виде цепей с дискретным (Discrete Time, DT) и непрерывным временем (Continuous Time, CT). DT SC Σ/Δ-АЦП (дискретная цепь с переключаемым конденсатором) легко программируется на разные полосы частот, не требует калибровки и относительно нечувствительна к дрожанию тактовых импульсов, которые ухудшают производительность. Рассмотрим эти АЦП подробнее.

Рис. 1. Архитектуры конвейерного и сигма-дельта АЦП

Схема приемного тракта

Стандартная схема приемного тракта в цифровых системах связи показана на рисунке 2.

Мы рассмотрим аналоговый сигнал в основной полосе частот, который требуется усилить. Фильтрация необходима для того, чтобы обеспечить защиту от наложения спектров. Она достигается за счет ограничения полосы поступающего на АЦП сигнала, что позволяет снизить шум и ослабить сигналы помех (что особенно важно в беспроводных приложениях). При создании такой системы необходимо достичь компромисса между коэффициентом усиления, линейностью шума и ограничениями на потребление энергии и площадь кристалла.

Рис. 2. Стандартный приемный тракт цифровой системы связи

Функции усиления и фильтрации можно задать в разных точках приемного тракта. Следует заметить, что цифровые каналы связи достаточно просто реализуются путем разделения сигнала на два компонента — I и Q. В случае приложений с монополосными каналами, например в проводной связи, такое разделение осуществляется цифровым модемом, поэтому требуется лишь один приемный тракт (и АЦП). В беспроводных применениях, например WLAN/WiMAX/LTE, преобразование с понижением радиочастоты вызывает необходимость в двух приемных трактах и двух АЦП, которые в таком случае называются АЦП IQ.

В цифровой области обычно применяется прореживающий фильтр, позволяющий уменьшить частоту выборки до частоты Найквиста, независимо от архитектуры АЦП.

21. Цифроаналоговые преобразователи. Основные структуры и характеристики.

Основные понятия и общие способы реализации

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине, пропорциональной значению кода.

ЦАП применяются для связи цифровых управляющих систем с устройствами, которые управляются уровнем аналогового сигнала. Также, ЦАП является составной частью во многих структурах аналого-цифровых устройств и преобразователей.

ЦАП характеризуется функцией преобразования. Она связывает изменение цифрового кода с изменением напряжения или тока. Функция преобразования ЦАП выражается следующим образом

, где

U_вых - значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду N_вх, подаваемому на входы ЦАП.

U_мах - максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода N_мах

Величину К_цап, определяемую отношением , называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.

Если величину N_вх представить через значения весов его разрядов, функцию преобразования можно выразить следующим образом

, где

i - номер разряда входного кода N_вх; A_i - значение i -го разряда (ноль или единица); U_i – вес i -го разряда; n – количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).

Вес разряда определяется для конкретной разрядности, и вычисляется по следующей формуле

, где

U_ОП -опорное напряжение ЦАП

Принцип работы большинства ЦАП - этосуммирование долей аналоговых сигналов (веса разряда), в зависимости от входного кода.

ЦАП можно реализовать с помощью суммирования токов, суммирования напряжений и деления напряжений. В первом и втором случае в соответствии со значениями разрядов входного кода, суммируются сигналы генераторов токов и источников Э.Д.С. Последний способ представляет собой управляемый кодом делитель напряжения. Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации.

доц. каф.ВТ Молодцов В.О.

18.06.13