Цифровые устройства, проектируемые на базе ИМС АЦП.(10 мин.)

Цифровая схематехника

Тема Проектирование цифровых устройств на базе ИМС АЦП

Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Изучение нового материала (35 мин.)

Цифровые устройства, проектируемые на базе ИМС АЦП.(10 мин.)

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи АЦП находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода—вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д. Велики перспективы использования быстродействующих преобразователей в телеметрии и телевидении. Одним из стимулов развития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей в интегральном исполнении в последнее время является широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. В свою очередь потребность в АЦП стимулирует их разработку и производство с новыми, более совершенными характеристиками.

2. Технологии производства АЦП.(5 мин.) В настоящее время применяют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную и полупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИМС ЦАП и ИМС АЦП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью.
3.Основные характеристики АЦП (5 мин.)
АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь.
4. Типы АЦП (15 мин.)

Широкое применение АЦП в различных областях на­уки и техники явилось предпосылкой создания разных структур АЦП, в интегральной технологии нашли применение в основном три:

1) метод прямого (параллельного) преобразования;

2) метод последовательного приближения (поразряд­ного уравновешивания);

3) метод интегрирования.

В АЦП с параллельным преобразованием входной сигнал прикладывается одновременно ко входам всех компараторов. В каждом компараторе он сравнивается с опорным сигналом, значение которого эквивалентно определенной кодовой комбинации. Опорный сигнал сни­мается с узлов резистивного делителя, питаемого от ис­точника опорного напряжения. Число возможных кодо­вых комбинаций (а следовательно, число компараторов) равно 2^m — 1, где т— число разрядов АЦП. АЦП прямо­го преобразования обладают самым высоким быстродей­ствием среди других типов АЦП, определяемым быстро­действием компараторов и задержками в логическом де­шифраторе. Недостатком их является необходимость в большом количестве компараторов. Так, для 8-разрядно­го АЦП требуется 255 компараторов. Это затрудняет реализацию многоразрядных (свыше 6—8-го разрядов) АЦП в интегральном исполнении. Кроме того, точность преобразования ограничивается точностью и стабильно­стью каждого компаратора и резистивного делителя. Тем не менее на основе данного принципа строят наиболее быстродействующие АЦП со временем преобразования в пределах десятков и даже единиц наносекунд, но огра­ниченной разрядности (не более шести разрядов).

АЦП последовательного приближения имеет несколь­ко меньшее быстродействие, но существенно большую разрядность (разрешающую способность). В нем исполь­зуется только один компаратор, максимальное число срабатываний которого за один цикл измерения не превы­шает числа разрядов преобразователя. Суть такого ме­тода преобразования заключается в последовательном сравнении входного преобразуемого напряжения Us с выходным напряжением образцового ЦАП, изменяю­щимся по закону последовательного приближения до момента наступления их равенства (с погрешностью дискретности). Входной сигнал U_x с помощью аналогового компаратора КН сравни­вается с выходным сигналом образцового ЦАП, который управляется в свою очередь регистром последовательно­го приближения РгПП. При запуске схемы РгПП уста­навливается генератором Г в исходное состояние. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответ­ствующее половине диапазона преобразования, что обес­печивается включением его старшего разряда 100... 0. Если Us меньше выходного напряжения ЦАП, то стар­ший разряд выключается, включается второй по стар­шинству разряд (на входе ЦАП код 0100...0), что соот­ветствует 'формированию на выходе ЦАП напряжения, равного половине предыду­щего. В случае если Их пре­вышает это напряжение, то дополнительно включается третий разряд (на входе ЦАП код 0110...0), что при­водит к увеличению выходного напряжения ЦАП в 1,5 раза. При этом выходное напряжение ЦАП вновь сравни­вается с напряжением Ux и т. д. Описанная процедура повторяется т раз (где m — число разрядов АЦП). В итоге на выходе ЦАП формируется напряжение, отли­чающееся от входного преобразуемого напряжения Ux не более чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования напряжения Ux в его цифровой эквива­лент—параллельный двоичный код Nx— снимается с выхода РгПП. Очевидно, погрешность преобразования и быстродействие такого устройства определяются в основ­ном параметрами ЦАП (разрешающей способностью, ли­нейностью, быстродействием) и компаратора (порогом чувствительности, быстродействием). Преимуществом рассмотренной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразова­телей сравнительно высокого быстродействия (время 'пре­образования 'порядка нескольких сот наносекунд). На ос­нове метода последовательного приближения реализова­на и серийно выпускается ИМС 12-разрядного АЦП К572ПВ1 с временем преобразования 100 мкс.

Наиболее простыми по структуре среди интегрирую­щих преобразователей являются АЦП с преобразовани­ем напряжения в частоту, построенные на базе интегри­рующего усилителя и аналогового компаратора. Погреш­ность их преобразования определяется нестабильностью порога срабатывания компаратора и постоянной времени интегратора.

Вывод по уроку(2 мин.): Анализ описанных методов преобразования и струк­турных схем АЦП позволяет сделать вывод, что наи­большим быстродействием обладают АЦП прямого пре­образования, однако их разрядность невысока. АЦП поразрядного уравновешивания, обладая средним быст­родействием, дают возможность получить достаточно высокую разрешающую способность. Но помехозащи­щенность тех и других преобразователей невысока. АЦП интегрирующего типа, обладая наименьшим быстродей­ствием, обеспечивают наибольшую помехозащищенность и точность преобразования.

Домашнее задание: подготовиться к практической работе – изучить конспект.

Схема включения библиотечного АЦП. В ее состав входят собственно АЦП (ADC), источники опорного напряжения, генератор слова для синхронизации и управления выходом АЦП, функциональный генератор в качестве источника входного сигнала Ui, логический анализатор, преобразователь двоичный код-код ASCII и осциллограф.

Немного истории

Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.

Рис. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).