Orice ADC este un dispozitiv electronic complex care poate fi realizat sub forma unui singur circuit integrat sau conține un numar mare de diverse componente electronice. În acest sens, caracteristicile ADC depind nu numai de designul său, ci și de caracteristicile elementelor care alcătuiesc compoziția sa. Majoritatea ADC-urilor sunt evaluate prin principalii lor indicatori metrologici, care pot fi împărțiți în două grupe: statice și dinamice.
LA caracteristicile statice ale ADC includ: valorile absolute și polaritățile semnalelor de intrare, rezistența de intrare, valorile și polaritățile semnalelor de ieșire, rezistența de ieșire, valorile tensiunilor și curenților surselor de alimentare, numărul de cifre binare sau zecimale ale codului de ieșire, DC erori de conversie a tensiunii etc.
LA parametrii dinamici ai ADC includ: timpul de conversie, rata maximă de eșantionare, timpul de deschidere, eroarea dinamică etc.
Să ne uităm la unele dintre aceste opțiuni mai detaliat. Principala caracteristică a unui ADC este sa rezoluţie , care este de obicei definit ca reciproca a număr maxim combinații de coduri la ieșirea ADC. Rezoluția poate fi exprimată ca procent, în număr de biți sau în unități relative.
De exemplu, un ADC de 10 biți are o rezoluție de (1024) -1 » 10 -3 = 0,1%. Dacă tensiunea de scară pentru un astfel de ADC este de 10 V, atunci valoarea absolută a rezoluției va fi de aproximativ 10 mV.
Valoarea reală a rezoluției diferă de valoarea calculată din cauza erorilor ADC. Precizia ADC este determinată de valorile erorii absolute, neliniarității diferențiale și integrale. Eroarea absolută a unui ADC este definită la punctul final al caracteristicii de conversie, deci este denumită în mod obișnuit eroare la scară completă și este măsurată în unități LSB.
Neliniaritate diferențială (DNL) este determinată prin identitatea a două incremente de semnal adiacente, adică ca diferența de tensiune între două cuante adiacente: DNL = hi-h i +1 . Definiția neliniarității diferențiale este prezentată în fig. 2.3 dar.
Neliniaritate integrală ADC (INL) caracterizează identitatea incrementelor pe întreaga gamă a semnalului de intrare. De obicei este determinată așa cum se arată în Fig. 2.3 b, prin abaterea maximă a caracteristicii de transformare netezită de la linia dreaptă ideală, i.e. INL = u i " – u i .
Timp de conversie T pr de obicei definit ca intervalul de timp de la începutul conversiei până la apariția unui cod stabil al semnalului de intrare la ieșirea ADC. Pentru unele tipuri de ADC, acest timp este constant și nu depinde de valoarea semnalului de intrare, pentru alte ADC-uri, acest timp depinde de valoarea semnalului de intrare. Dacă ADC funcționează fără un dispozitiv de prelevare și menținere, atunci timpul de conversie este timpul de deschidere.
Frecvența maximă de eșantionare - frecvența sa la care semnalul de intrare poate fi convertit, cu condiția ca parametrul selectat (de exemplu, eroare absolută) să nu depășească limitele specificate. Uneori se presupune că frecvența maximă de conversie este reciproca timpului de conversie. Cu toate acestea, acest lucru nu este potrivit pentru toate tipurile de ADC.
Orez. 2.3. Definiția neliniarității diferențiale (a)
și neliniaritatea integrală (b)
Principii de construcție ADC
Toate tipurile de ADC-uri utilizate pot fi împărțite în funcție de valoarea tensiunii măsurate în două grupe: ADC-uri cu valori instantanee ale tensiunii și ADC-uri cu valori medii ale tensiunii (ADC-uri integratoare). Să luăm mai întâi în considerare ADC-urile, care vă permit să determinați codul valorii instantanee a tensiunii, apoi luăm în considerare ADC-urile integratoare și caracteristicile utilizării lor.
ADC de valori instantanee pot fi împărțite în următoarele tipuri principale: numărare secvențială, aproximare succesivă, paralelă, paralel-secvențială și cu transformare intermediară într-un interval de timp.
Schema structurala ADC de numărare în serie prezentată în fig. 2.4a. Conține un comparator, care compară tensiunea de intrare cu tensiunea părere. Intrarea directă a comparatorului primește un semnal de intrare tu in, iar pe inversare - tensiune tu 5 părere. Funcționarea convertorului începe cu sosirea impulsului „START” din circuitul de control (nu este prezentat în figură), care închide comutatorul S. Printr-o cheie privată S impulsuri tu 1 de la generatorul de impulsuri de ceas mergeți la contor, care controlează funcționarea convertorului digital-analogic (DAC). Ca urmare a unei creșteri secvențiale a codului de ieșire al contorului, are loc o creștere secvențială în trepte a tensiunii de ieșire tu 5 DAC. DAC-ul este alimentat de la o sursă de tensiune de referință tu 4 .
Când tensiunea de iesire DAC-ul se va egaliza cu tensiunea de intrare, comparatorul va comuta și cheia se va deschide conform semnalului său de ieșire STOP S. Ca urmare, impulsurile generatorului nu vor mai veni la intrarea contorului. Cod de ieșire corespunzător egalității tu in = tu 5 eliminat din registrul de ieșire al contorului.
Orez. 2.4. Diagrama structurală a ADC de numărare secvențială (a)
și grafice ale procesului de conversie (b)
Graficele care ilustrează procesul de conversie a tensiunii într-un cod digital sunt prezentate în fig. 2.4 b. Din aceste grafice se poate observa că timpul de conversie este variabil și depinde de nivelul semnalului de intrare. Cu numărul de cifre binare ale contorului egal cu n, și perioada de repetare a impulsurilor de numărare T timpul maxim de conversie poate fi determinat prin formula:
T pr \u003d (2 n - 1) T. (2.4)
Deci, de exemplu, când n= 10 cifre și T= 1 µs (adică la o frecvență de ceas de 1 MHz) timpul maxim de conversie este
T pr \u003d (2 10 - 1) \u003d 1024 μs "1 ms.
care asigură o frecvență de conversie maximă de aproximativ 1 kHz.
Ecuația de conversie ADC de numărare secvențială poate fi scrisă ca:
kDU = u in,
Unde 0 < k < n - numărul de pași până la comparație, DU=h- valoarea unui pas, adică pasul de cuantizare.
Schema structurala ADC de aproximare succesivă prezentată în fig. 2.5 dar. În comparație cu circuitul ADC de numărare secvențială, a fost făcută o schimbare semnificativă în acesta - în locul unui contor, a fost introdus un registru de aproximare succesiv (SAR). Acest lucru a schimbat algoritmul de echilibrare și a redus timpul de conversie.
Funcționarea ADC cu RPP se bazează pe principiul dihotomiei, adică pe compararea secvențială a tensiunii convertite. tu in cu 1/2, 1/4, 1/8 etc. din valoarea maximă posibilă Hm. Acest lucru permite n-bit ADC efectuează întregul proces de conversie pentru P pași succesivi de aproximare (iterații) în loc de (2 n -1) atunci când se utilizează numărătoarea secvențială și obțineți un câștig semnificativ în viteză. Graficul procesului de conversie a ADC cu RPP este prezentat în fig. 2.5 b.
Orez. 2.5. Diagrama structurală a aproximării succesive ADC (a),
graficele procesului de transformare (b) și diagrama de tranziție
pentru un ADC din trei cifre (c)
De exemplu, în fig. 2.5 în arată diagrama de tranziție pentru un ADC cu aproximare succesivă de trei biți. Deoarece la fiecare pas se determină valoarea unui bit, pornind de la cel mai mare, un astfel de ADC este adesea numit ADC de echilibrare bit cu bit. La prima comparație, se determină - mai mult sau mai puțină tensiune tu in, Cum Um/2. Următorul pas este să determinați care este sfert din interval tu in. Fiecare pas ulterior restrânge zona de rezultat posibil la jumătate.
La fiecare pas de comparație, comparatorul generează impulsuri corespunzătoare stării „mai mult-mai puțin” (1 sau 0), care controlează registrul de aproximare succesiv.
Schema structurala ADC paralel prezentată în fig. 2.6. Convertorul realizează cuantificarea simultană a semnalului de intrare tu in folosind un set de comparatoare conectate în paralel cu sursa de semnal. Nivelurile de prag ale comparatoarelor sunt stabilite folosind un divizor rezistiv în conformitate cu scara de cuantizare utilizată. Când se aplică la intrările semnalului comparatorilor tu in la ieșirile lor, obținem un semnal cuantificat reprezentat într-un cod unitar.
Orez. 2.6. Schema bloc a unui ADC paralel
Pentru a converti un cod unitar în binar (sau BCD), se folosește un convertor de codare. Când funcționează în cod binar, toate rezistențele divizorului au aceeași rezistență. R. Timpul de conversie al unui astfel de convertor este de un ciclu, adică. T pr \u003d T. Convertoarele paralele sunt în prezent cele mai rapide și pot funcționa la rate de eșantionare de peste 100 MHz.
Divizorul de tensiune de referință este un set de rezistențe cu rezistență scăzută cu o rezistență de aproximativ 1 ohm. Pe ieșirea „Correcție”, este posibilă corectarea tensiunii de polarizare de nivel zero la intrare și la ieșire U op2- eroare absolută de conversie la punctul final al scalei. Valorile nominale ale tensiunilor de referință sunt: U op1 =- 0,075 ... 0 V, și U op2= -2,1 ... -1,9 V. Întârzierea tipică de răspuns a comparatoarelor este de aproximativ 7 ns.
Schema structurala ADC serial-paralel prezentată în fig. 2.7. Un astfel de ADC funcționează în mai multe cicluri. În primul ciclu, ADC convertește cei mai semnificativi biți ai tensiunii de intrare tu inîntr-un cod digital (în diagramă, aceștia sunt biții 2 3 ... 2 5). Apoi, în al doilea ciclu, acești biți sunt convertiți de către DAC într-o tensiune, care este scăzută din semnalul de intrare în scădetorul VU. În al treilea ciclu, ADC 2 convertește diferența rezultată în codul cifrelor cele mai puțin semnificative ale tensiunii de intrare tu in .
Astfel de convertoare se caracterizează prin viteză mai mică în comparație cu cele paralele, dar au număr mai mic comparatori. Deci, de exemplu, pentru un ADC paralel pe 6 biți sunt necesari 64 de comparatoare, iar pentru un ADC serial-paralel, doar 16.
Numărul de etape în astfel de ADC-uri poate fi crescut, motiv pentru care sunt adesea denumite în mai multe etape sau conducte. Codul de ieșire al unor astfel de ADC-uri este suma codurilor N = N 1 + N 2 + N 3 +..., produse prin cascade separate.
Orez. 2.7. Diagrama structurală a unui ADC paralel-serial
ÎNTREBĂRI DE TEST:
1. Scopul și clasificarea convertoarelor analog-digitale.
2. Principalele caracteristici ale ADC.
3. Principii de bază ale construcției ADC.
4. Schema ADC de numărare secvenţială.
5. Diagrama unui ADC paralel.
6. Schema unui ADC paralel-serial.
7. Schema ADC a aproximărilor succesive.
3 TIPURI DE CODURI BINARE
Acest articol discută principalele probleme legate de principiul de funcționare a ADC tipuri variate. În același timp, unele calcule teoretice importante privind descrierea matematică a conversiei analog-digital au rămas în afara domeniului articolului, dar sunt furnizate link-uri unde cititorul interesat poate găsi o analiză mai profundă a aspectelor teoretice ale funcționării ADC. . Astfel, articolul este mai mult despre înțelegere principii generale funcţionarea ADC decât o analiză teoretică a muncii lor.
Introducere
Ca punct de plecare, să definim conversia analog-digitală. Conversia analog-digitală este procesul de conversie a intrării cantitate fizica la reprezentarea sa numerică. Un convertor analog-digital este un dispozitiv care realizează o astfel de conversie. În mod formal, valoarea de intrare a ADC poate fi orice mărime fizică - tensiune, curent, rezistență, capacitate, rată de repetare a impulsului, unghi de rotație a arborelui etc. Cu toate acestea, pentru certitudine, în viitor, prin ADC vom înțelege doar convertoare de tensiune la cod.
Conceptul de conversie analog-digitală este strâns legat de conceptul de măsurare. Măsurarea este înțeleasă ca procesul de comparare a valorii măsurate cu un anumit standard; în timpul conversiei analog-digitale, valoarea de intrare este comparată cu o anumită valoare de referință (de obicei, cu o tensiune de referință). Astfel, conversia analog-digitală poate fi considerată ca o măsurare a valorii semnalului de intrare și i se aplică toate conceptele de metrologie, cum ar fi erorile de măsurare.
Principalele caracteristici ale ADC
ADC-ul are multe caracteristici, dintre care frecvența de conversie și adâncimea de biți pot fi numite principale. Frecvența de conversie este de obicei exprimată în mostre pe secundă (SPS), adâncimea de biți este în biți. ADC-urile moderne pot avea o adâncime de până la 24 de biți și o rată de conversie de până la unități GSPS (desigur, nu simultan). Cu cât viteza și adâncimea de biți sunt mai mari, cu atât este mai dificilă obținerea caracteristicilor necesare, cu atât convertorul este mai scump și mai complex. Viteza de conversie și adâncimea de biți sunt legate între ele într-un anumit fel și putem crește adâncimea de biți de conversie efectivă prin sacrificarea vitezei.
Tipuri ADC
Există multe tipuri de ADC, dar în acest articol ne vom limita la a lua în considerare doar următoarele tipuri:
- Conversie paralelă ADC (conversie directă, ADC flash)
- ADC cu aproximare succesivă (SAR ADC)
- ADC delta-sigma (ADC cu încărcare echilibrată)
ADC-urile de conversie directă (paralelă) au cea mai mare performanță și cea mai mică adâncime de biți. De exemplu, ADC-ul de conversie paralelă TLC5540 de la Texas Instruments are o viteză de 40MSPS cu o lățime de biți de doar 8 biți. ADC de acest tip poate avea rate de conversie de până la 1 GSPS. Se poate remarca aici că ADC-urile pipeline (ADC-uri pipeline) au o viteză și mai mare, cu toate acestea, sunt o combinație a mai multor ADC-uri cu viteză mai mică și luarea în considerare a acestora depășește scopul acestui articol.
Nișa de mijloc în seria de viteză de biți este ocupată de ADC-uri succesive de aproximare. Valorile tipice sunt 12-18 biți la o rată de conversie de 100KSPS-1MSPS.
Cea mai mare precizie este obținută de ADC-urile sigma-delta cu o adâncime de până la 24 de biți inclusiv și o viteză de la unitățile SPS la unitățile KSPS.
Un alt tip de ADC care și-a găsit utilizare în trecutul recent este ADC-ul de integrare. ADC-urile integratoare au fost aproape complet înlocuite de alte tipuri de ADC-uri, dar pot fi găsite în mai vechi instrumente de masura.
ADC cu conversie directă
ADC-urile cu conversie directă s-au răspândit în anii 1960 și 1970 și au început să fie produse ca circuite integrate în anii 1980. Ele sunt adesea folosite ca parte a ADC-urilor „conducte” (nu sunt luate în considerare în acest articol) și au o capacitate de 6-8 biți la o viteză de până la 1 GSPS.
Arhitectura ADC cu conversie directă este prezentată în fig. unu
Orez. 1. Diagrama structurală a ADC cu conversie directă
Principiul de funcționare al ADC este extrem de simplu: semnalul de intrare este alimentat simultan la toate intrările „pozitive” ale comparatoarelor, iar intrările „negative” sunt alimentate cu o serie de tensiuni obținute de la referință prin împărțirea la rezistențele R. Pentru circuitul din Fig. 1 acest rând va fi: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, unde Uref este tensiunea de referință ADC.
Aplicați o tensiune egală cu 1/2 Uref la intrarea ADC. Atunci primele 4 comparatoare vor funcționa (dacă numărați de mai jos), iar la ieșirile lor vor apărea cele logice. Codificatorul prioritar va forma un cod binar din „coloana” de unități, care este fixat de registrul de ieșire.
Acum, avantajele și dezavantajele unui astfel de convertor devin clare. Toate comparatoarele funcționează în paralel, timpul de întârziere al circuitului este egal cu timpul de întârziere dintr-un comparator plus timpul de întârziere din encoder. Comparatorul și codificatorul pot fi realizate foarte rapid și, ca urmare, întregul circuit are o viteză foarte mare.
Dar pentru a obține N biți, aveți nevoie de 2^N comparatoare (și complexitatea codificatorului crește, de asemenea, cu 2^N). Schema din fig. 1. conține 8 comparatoare și are 3 biți, pentru a obține 8 biți ai nevoie de 256 de comparatoare, pentru 10 biți - 1024 comparatoare, pentru un ADC pe 24 de biți ar avea nevoie de peste 16 milioane.Totuși, tehnologia nu a atins încă astfel de înălțimi.
ADC de aproximare succesivă
Convertorul analog-digital al Registrului de aproximare succesivă (SAR) măsoară mărimea unui semnal de intrare prin efectuarea unei serii de „ponderări” succesive, adică comparații ale mărimii tensiunii de intrare cu o serie de mărimi generate după cum urmează:
1. La primul pas, valoarea egală cu 1/2Uref este setată la ieșirea convertorului digital-analogic încorporat (în continuare, presupunem că semnalul este în intervalul (0 - Uref).
2. dacă semnalul este mai mare decât această valoare, atunci este comparat cu tensiunea situată la mijlocul intervalului rămas, adică, în acest caz, 3/4Uref. Dacă semnalul este mai mic decât nivelul setat, atunci următoarea comparație se va face cu mai puțin de jumătate din intervalul rămas (adică cu nivelul 1/4Uref).
3. Pasul 2 se repetă de N ori. Astfel, N comparații („ponderări”) generează N biți ai rezultatului.
Orez. 2. Diagrama structurală a ADC de aproximare succesivă.
Astfel, ADC de aproximare succesivă constă din următoarele noduri:
1. Comparator. Acesta compară valoarea de intrare și valoarea curentă a tensiunii „greutate” (indicată printr-un triunghi în Fig. 2).
2. Convertor digital-analogic (Digital to Analog Converter, DAC). Acesta generează o valoare de tensiune „ponderată” pe baza codului digital primit la intrare.
3. Registrul de aproximare succesivă (SAR). Implementează algoritmul de aproximare succesivă, generând valoarea curentă a codului alimentat la intrarea DAC-ului. Întreaga arhitectură ADC este numită după numele său.
4. Schema Sample-hold (Sample/Hold, S/H). Pentru funcționarea acestui ADC, este esențial important ca tensiunea de intrare să rămână constantă pe parcursul întregului ciclu de conversie. Cu toate acestea, semnalele „reale” tind să se schimbe în timp. Schema de preluare și reținere „îți amintește” valoarea curentă semnal analogși îl păstrează neschimbat pe tot parcursul ciclului dispozitivului.
Avantajul dispozitivului este o viteză de conversie relativ mare: timpul de conversie al unui ADC de N biți este de N cicluri. Precizia conversiei este limitată de acuratețea DAC-ului intern și poate fi de 16-18 biți (acum au început să apară SAR-uri ADC pe 24 de biți, de exemplu, AD7766 și AD7767).
Delta Sigma ADC
În cele din urmă, cel mai interesant tip de ADC este ADC sigma-delta, la care se face referire uneori în literatură ca ADC echilibrat cu sarcină. Schema bloc a ADC sigma-delta este prezentată în fig. 3.
Fig.3. Diagrama structurală a ADC sigma-delta.
Principiul de funcționare al acestui ADC este ceva mai complicat decât cel al altor tipuri de ADC. Esența sa este că tensiunea de intrare este comparată cu valoarea tensiunii acumulată de integrator. Impulsurile de polaritate pozitivă sau negativă sunt alimentate la intrarea integratorului, în funcție de rezultatul comparației. Astfel, acest ADC este un sistem simplu de urmărire: tensiunea de la ieșirea integratorului „urmărește” tensiunea de intrare (Fig. 4). Rezultatul acestui circuit este un flux de zerouri și unu la ieșirea comparatorului, care este apoi trecut printr-un filtru digital trece-jos, rezultând un rezultat de N biți. LPF din fig. 3. Combinat cu un „decimator”, un dispozitiv care reduce frecvența citirilor „subțiandu-le”.
Orez. 4. Sigma-delta ADC ca sistem de urmărire
Din motive de rigoare, trebuie spus că în fig. 3 este o diagramă bloc a unui ADC sigma-delta de ordinul întâi. Un ADC sigma-delta de ordinul doi are doi integratori și două bucle de feedback, dar nu va fi discutat aici. Cei interesați de acest subiect se pot referi la.
Pe fig. 5 prezintă semnalele din ADC la nivelul zero la intrare (sus) și la nivelul Vref / 2 (jos).
Orez. 5. Semnale în ADC la diferite niveluri de semnal la intrare.
Acum, fără a intra în analize matematice complexe, să încercăm să înțelegem de ce ADC-urile sigma-delta au foarte multe nivel scăzut zgomote proprii.
Luați în considerare schema bloc a modulatorului sigma-delta prezentat în fig. 3 și prezentați-l sub această formă (Fig. 6):
Orez. 6. Schema structurală a modulatorului sigma-delta
Aici, comparatorul este reprezentat ca un sumator care însumează un semnal util continuu și un zgomot de cuantizare.
Fie ca integratorul să aibă o funcție de transfer 1/s. Apoi, reprezentând semnalul util ca X(s), ieșirea modulatorului sigma-delta ca Y(s) și zgomotul de cuantizare ca E(s), obținem funcția de transfer a ADC:
Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)
Adică, de fapt, modulatorul sigma-delta este un filtru trece-jos (1/(s+1)) pentru semnalul util și un filtru trece-înalt (s/(s+1)) pentru zgomot, ambele filtre având aceeași frecvență de tăiere. Zgomotul concentrat în regiunea de înaltă frecvență a spectrului este ușor îndepărtat de un filtru digital trece-jos, care este situat după modulator.
Orez. 7. Fenomenul de „deplasare” a zgomotului în partea de înaltă frecvență a spectrului
Cu toate acestea, trebuie înțeles că aceasta este o explicație extrem de simplificată a modelării zgomotului într-un ADC sigma-delta.
Deci, principalul avantaj al ADC sigma-delta este precizia ridicată, datorită nivelului extrem de scăzut de zgomot intrinsec. Cu toate acestea, pentru a obține o precizie ridicată, este necesar ca frecvența de tăiere a filtrului digital să fie cât mai mică posibil, de multe ori mai mică decât frecvența modulatorului sigma-delta. Prin urmare, ADC-urile sigma-delta au o rată de conversie scăzută.
Ele pot fi utilizate în tehnologia audio, dar principala utilizare este în automatizarea industrială pentru conversia semnalelor senzorilor, în instrumente de măsură și în alte aplicații în care este necesară o precizie ridicată. dar nu este necesară viteza mare.
Un pic de istorie
Cea mai veche referință ADC din istorie este probabil brevetul Paul M. Rainey, „Facsimile Telegraph System”, U.S. Brevet 1.608.527, depus la 20 iulie 1921, eliberat la 30 noiembrie 1926. Dispozitivul descris în brevet este de fapt un ADC cu conversie directă de 5 biți.
Orez. 8. Primul brevet ADC
Orez. 9. Conversie directă ADC (1975)
Dispozitivul prezentat în figură este un ADC MOD-4100 cu conversie directă fabricat de Computer Labs, fabricat în 1975, asamblat pe baza unor comparatoare discrete. Există 16 comparatoare (sunt amplasate într-un semicerc pentru a egaliza întârzierea de propagare a semnalului către fiecare comparator), prin urmare, ADC-ul are o capacitate de doar 4 biți. Rata de conversie 100 MSPS, consum de energie 14 wați.
Figura următoare prezintă o versiune avansată a ADC cu conversie directă.
Orez. 10. Conversie directă ADC (1970)
VHS-630 din 1970, produs de Computer Labs, avea 64 de comparatoare, avea 6 biți, 30MSPS și consuma 100 wați (VHS-675 din 1975 avea 75 MSPS și consuma 130 wați).
Literatură
W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial.
Atunci când utilizați un computer pentru a procesa informații de la diferite dispozitive (obiecte, procese), în care informațiile sunt reprezentate de semnale continue (analogice), este necesar să convertiți un semnal analogic într-unul digital - într-un număr proporțional cu amplitudinea acestuia. semnal și invers. În general, procedura de conversie analog-digitală constă din trei etape)
