Цифро аналоговый преобразователь. Аналого-цифровое преобразование для начинающих

Цифро-аналоговые преобразователи имеют статические и динамические характеристики.

Статические характеристики ЦАП

Основными статическими характеристиками ЦАП, являются:

· разрешающая способность;

· нелинейность;

· дифференциальная нелинейность;

· монотонность;

· коэффициент преобразования;

· абсолютная погрешности полной шкалы;

· относительная погрешности полной шкалы;

· смещение нуля;

· абсолютная погрешность

Разрешающая способность – это приращение U ВЫХ при преобразовании смежных значений D j , т.е. отличающихся на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования

h = U ПШ /(2 N – 1),

где U ПШ – номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы), N – разрядность ЦАП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля, т.е.

Является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля – значение U ВЫХ, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования U ВЫХ (D) от оптимальной (рис. 5.2, линия 2). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рис. 5.2,

Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования U ВЫХ (D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Обычно определяется в относительных единицах или в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рис. 5.2,

Монотонность характеристики преобразования – возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП (U ВЫХ) при возрастании (уменьшении) входного кода D . Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/U ПШ, то характеристика преобразователя немонотонна.

Температурная нестабильность ЦАП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут быть устранены калибровкой (подстройкой). Погрешности нелинейности простыми средствами устранить нельзя.

Динамические характеристики ЦАП

К динамическим характеристик ам ЦАП относятся время установления и время преобразования.

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до (2 N – 1) через единицу младшего разряда выходной сигнал U ВЫХ (t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (см. рис. 5.2), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы» (рис. 5.3).

Время установления – интервал времени от момента измене
ния входного кода (рис. 5.3, t = 0) до момента, когда в последний раз выполняется равенство:

|U ВЫХ – U ПШ | = d/2,

причем d/2 обычно соответствует ЕМР.

Скорость нарастания – максимальная скорость изменения U ВЫХ (t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения D U ВЫХ ко времени Dt, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У цифро-аналоговых преобразователей с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.

Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

На рисунке 5.4 приведены два способа линеаризации, из которых следует, что способ линеаризации для получения минимального значения D л, показанный на рис. 5.4, б, позволяет уменьшить погрешность D л вдвое по сравнению с методом линеаризации по граничным точкам (рис. 5.4, а).

Для цифро-аналоговых преобразователей с n двоичными разрядами в идеальном случае (при отсутствии погрешностей преобразования) аналоговый выход U ВЫХ соотносится с входным двоичным числом следующим образом:

U ВЫХ = U ОП (a 1 2 -1 + a 2 2 -2 +…+ a n 2 -n),

где U ОП – опорное напряжение ЦАП (от встроенного или внешнего источника).

Так как ∑ 2 -i = 1 – 2 -n , то при всех включенных разрядах выходное напряжение ЦАП равно:

U ВЫХ (a 1 …a n) = U ОП (1 – 2 -n) = (U ОП /2 n) (2 n – 1) = D (2 n – 1) = U ПШ,

где U ПШ – напряжение полной шкалы.

Таким образом, при включении всех разрядов выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя, которое в этом случае образует U ПШ, отличается от значения опорного напряжения (U ОП) на величину младшего разряда преобразователя (D), определяемого как

D = U ОП /2 n .

При включении какого-либо i-го разряда выходное напряжение ЦАП определится из соотношения:

U ВЫХ /a i = U ОП 2 -i .

Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой двоичный код Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 в аналоговую величину, обычно напряжение U ВЫХ. или ток I ВЫХ. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

U ВЫХ = e (Q 1 · 1 + Q 2 ·2 + Q 3 ·4 + Q 4 ·8 +…),

где e – напряжение, соответствующее весу младшего разряда, Q i – значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует:

U ВЫХ = е (1 ·1 + 0 ·2 + 0 ·4 + 1 · = 9 ·e,

а числу 1100 соответствует

U ВЫХ = e (0 ·1 + 0 ·2 + 1 ·4 + 1 · = 12 ·e.

Давайте начнем с самого начала. Цифровая музыка является (легко переносится) промежуточной формой между аналоговым оригиналом и аналоговой копией. Идеальная звуковая система создает копию в конце, которая идентична оригиналу. На 100% этого еще не произошло, но в течение последних 20 лет мы все ближе и ближе к этому. Два важнейших компонента этого процесса являются — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для студии и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для . Начнем с рассмотрения процесса АЦП.

Работа АЦП — это неоднократное измерения амплитуды (громкости) входящей волны звука электрического давления (электрическое напряжение), и вывод этих измерений как длинный список бинарных байтов. Таким образом, математическая «картинка» создается от формы волны. Не беспокойтесь о битах и ​​байтах. Для наших целей, это просто цифры. Так что же, этот сигнал мы записываем и пытаемся воссоздать? Единая форма волны в нашем примере является аналогом или скопирована как результат на всех частотах от всех инструментов, которые произошли в воздухе в студии , и, естественно, объединенных в воздухе и пришли в одну точку микрофона в определенном порядке как один аналоговый звук естественным образом, который обрабатывается в нашей барабанной перепонке, чтобы услышать его.

Это несчетное большое количество частот от всех инструментов и их гармоник и полученных от отражений комнаты (звуковой сцены), естественно объединены в воздухе и, естественно, «закодированы» как комплекс , и является оригинальной правдой о музыке на тот момент который мы пытаемся точно скопировать. Теперь о цифровой и портативной сущности
Частота дискретизации была определена и АЦП сделала свое дело и данные теперь просто образовались в большой файл из чисел, впрочем, они могут быть изменены в бесчисленных форматах и ​​переносятся, копируются по всему миру и, наконец, представлены в вашей комнате для прослушивания, для вашего ЦАП. Бит будет идеальный если целостность файла будет сохранена, т.е. те же самые числовые значения, которые были созданы в АЦП — представлены вашему ЦАП. Если это так, то данные будут с идеальным . Воспроизведение ЦАП (DAC) ЦАП , читая цифровые данные из файла и пытается воссоздать копию оригинального аналогового сигнала, записанного когда-то.

Типы ЦАП и как они работают ЦАП — это схема, которая преобразует цифровые данные в непрерывный аналоговый электрический эквивалент звука, который должен быть воспроизведен на высококачественной аппаратуре или наушниках. Амплитуда представляет собой цифровой номер, который происходит на основе частоты дискретизации (например, 44 100 раз в секунду). Этот процесс очень похож на бесконечную конвейерную ленту с пустыми кувшинами на нем, движущихся по заправочной станции. Размер кувшина фиксируется, и со скоростью они проходят мимо, что и определяется частотой дискретизации. Цель заполнить каждый кувшин точно по уровню, указанного в музыке. Существуют три методики, используемые для достижения этой цели; Delta Sigma, Ladder, и MSB Sign Magnitude Ladder. ЦАП Delta Sigma (Один бит) Каждый образец или кувшин заполняется на нужном уровне со многими измерительными чашками, чтобы налить и достичь целевого .
«Один бит» - это мерный стаканчик либо полный, либо пустой. С 64 разовой передискретизацией, чашка только 1/64-й от объема кувшина. Это довольно плохая чашка и она не приблизилась к тому, чтобы быть достаточно точной. Чашка должна была бы быть 1 / 16,777,216 от объем кувшина, чтобы быть . Фильтрация здесь важна.

ЦАП Ladder (Лестница)

Ladder ЦАП отличается тем, что вместо одного мерного стакана (или бита), целый ряд чашек доступных, от очень маленьких, до очень . Любую комбинацию чашки можно использовать для заполнения каждого кувшина точно по . Фильтрация не требуется, но точность определяется совокупной погрешностью всех используемых чашек.

ЦАП MSB Sign Magnitude Ladder

MSB Sign Magnitude Ladder ЦАП как Ladder ЦАП, изысканный и обрабатывает двумя способами. Потому как чашки, как правило, на 1/2 полны, когда заканчивают, и начинают с очень точных 1/2 заполненных чашек вместо пустых. Оттуда мы снова используем широкий спектр измерительных чашек добавляя или отнимая по каждой чашке.
Так как каждый сосуд заполняется точно, фильтрация не нужна. Потому как наш слух наиболее чувствителен к звуку низкого уровня наш ЦАП является наиболее точным около 1/2 полным, где мы используем самые маленькие и самые точные измерения чашек. А как насчет передискретизации? Синхронное повышение дискретизации MSB просто означает добавление еще одной банки между существующими банками и перемещает их быстрее вниз на линию. Глядя на многие банки до и после новых пустых, рассчитывает, как полные. Заключительное слово о ЦАПах Оригинальный способ Sony и Philips заключается в преобразовании цифровой информации ЦАП Ladder (лестница), добавлением резисторов, что при подключении выглядели лестницей (отсюда и название). Но для Philips это было очень трудно построить, потому что было трудно получить резисторы достаточно точные, так как 1541ЦАП (DAC) был неточен. Но тем не менее, он звучал лучше, чем следующие поколения, Дельта Сигма ЦАП. ЦАП Ladder(Лестница) технически, привлекательна потому что это, как пассивный процесс (нулевой обработки любого вида, да, я знаю сам, преобразования является процессом), что означает, что нет никакого активного отбора проб и средних обработок, только простые резисторы, которые не имеют ограничения по скорости. MSB Ladder (лестница) является самым точным. Резистор быстрее — более 5 МГц. Он имеет уровень шума в 160 дБ. И это гораздо более точные и самые высоко-прецизионные ЦАП, в современном мире.

Простейшим цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) является одноразрядный преобразователь. В качестве такого ЦАП может служить простой усилитель-ограничитель, в качестве которого можно применить . Особенно хорошо подойдет выполненный по КМОП технологии, так как в данной технологии выходные токи единицы и нуля равны. такого цифро-аналогового преобразователя приведена на рисунке 1.

Одноразрядный ЦАП преобразует в аналоговую форму знак числа. Для цифро-аналогового преобразования на очень высокой частоте дискретизации, во много раз превышающей частоту Котельникова, такого преобразователя вполне достаточно, однако, в большинстве случаев для качественного цифро-аналогового преобразования требуется большее количество разрядов. Известно, что двоичное число описывается следующей формулой:

Для преобразования цифрового двоичного кода в напряжение можно воспользоваться данной формулой непосредственно, т. е. применить аналоговый сумматор. Токи будем задавать при помощи резисторов. Если резисторы будут отличаться друг от друга в два раза, то и токи тоже будут подчиняться двоичному закону, как показано в формуле (1). Если на выходе регистра будет присутствовать логическая единица, то она будет преобразована в ток, соответствующий двоичному разряду при помощи резистора. В этом случае напряжений будет работать в качестве цифроаналогового преобразователя. Схема ЦАП, работающего по описанному принципу, приведена на рисунке 2.

На схеме, приведенной на рисунке 2, потенциал второго вывода равен нулю. Это обеспечивается параллельной отрицательной обратной связью, которая уменьшает входное сопротивление операционного усилителя. Коэффициент передачи выбирается при помощи резистора, включенного с выхода на вход операционного усилителя. Если требуется единичный коэффициент передачи, то это сопротивление должно быть равно параллельному сопротивлению всех резисторов, подключенных к выходам параллельного регистра. В описанном устройстве ток младшего разряда будет в восемь раз меньше тока старшего разряда. Для уменьшения влияния входных токов реального операционного усилителя между его неинвертирующим входом и общим проводом включается резистор с сопротивлением равным параллельному включению всех остальных резисторов.

Учитывая, что на выходе всех разрядов регистра присутствует или нулевое напряжение или равное напряжению питания, на выходе операционного усилителя напряжение будет действовать в диапазоне от нуля до минус напряжения питания. Это не всегда удобно. Если нужно, чтобы устройство работало от одного источника питания, то ее нужно немного изменить. Для этого на неинвертирующий вход операционного усилителя подадим напряжение, равное половине питания. Его можно получить от резистивного делителя напряжения. Ток нуля и ток единицы выходного каскада регистра в новой схеме должны совпадать. Тогда на выходе операционного усилителя напряжение будет меняться в диапазоне от нуля до напряжения питания. Схема цифро-аналогового преобразователя с однополярным питанием приведена на рисунке 3.

В схеме, приведенной на рисунке 3, стабильность выходного тока и напряжения обеспечивается стабильностью напряжения питания параллельного регистра. Однако обычно напряжение питания цифровых микросхем сильно зашумлено. Этот шум будет присутствовать и в выходном сигнале. В многоразрядном цифро-аналоговом преобразователе это нежелательно, поэтому его выходные ключи запитываются от высокостабильного малошумящего . В настоящее время подобные микросхемы выпускаются рядом фирм. В качестве примера можно назвать ADR4520 фирмы Analog Devices или MAX6220_25 фирмы Maxim Integrated.

При изготовлении многоразрядных цифро-аналоговых преобразователей необходимо изготавливать резисторы с высокой точностью. Раньше это достигалось лазерной подгонкой резисторов. В настоящее время в качестве источников тока обычно используются не резисторы, а генераторы тока на полевых транзисторах. Применение полевых транзисторов позволяет значительно сократить размеры кристалла ЦАП. При этом для увеличения тока транзисторы соединяют параллельно. Это позволяет добиться высокой точности соответствия токов двоичному закону (i 0 , 2i 0 , 4i 0 , 8i 0 и т.д.). Высокая скорость преобразования достигается при малом сопротивлении нагрузки. Схема преобразователя цифрового кода в выходной ток, работающего по описанному принципу приведена на рисунке 4.

Естественно, электронные ключи, показанные на рисунке 4, тоже представляют собой полевые транзисторы. Однако если их показать на схеме, то можно запутаться где ключ, а где генератор тока. Так как полевой транзистор может одновременно работать в качестве генератора тока и электронного ключа, то их часто объединяют, а двоичный закон формируют при помощи , как это показано на рисунке 5.

В качестве примера микросхем, где используется решение с суммированием тока, можно назвать ЦАП AD7945. В ней суммирование токов применяется для формированиястарших разрядов. Для работы с младшими разрядами используется . Для преобразования выходного тока в напряжение обычно применяется операционный усилитель, однако его скорость нарастания выходного напряжения оказывает существенное влияние на быстродействие цифро-аналогового преобразователя в целом. Поэтому схема ЦАП с операционным усилителем используется только в широкополосных схемах, таких как преобразование звукового или телевизионного сигнала.

Литература:

Вместе со статьей "Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) с суммированием токов" читают:

http://сайт/digital/R2R/

http://сайт/digital/sigmaadc.php

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

Введение

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. 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.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП

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. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Типы АЦП

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

• АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
• АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
• дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.

Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к .

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

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).

Литература

W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial.

Иногда складывается впечатление, что цифровой мир практически полностью сливается с реальным. Но несмотря на появление таких систем как «gigaFLOPS», «22 nm» и многих других реальный мир упорно остается аналоговым и никак не цифровым, а мы по-прежнему должны работать с нашими цифровым системами, которые в современном мире присутствуют практически везде.

Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП преобразовывает входной цифровой сигнал в аналоговый выходной. Понятие «точность» может варьироваться (в зависимости от производителя), но мы опишем цифро-аналоговые преобразователи с разрешением от 8 до 16 бит и скоростью до 10 Мвыборок/с. Данные цифро-аналоговые преобразователи ЦАП используются в различных системах – аудио- и видео аппаратуре, управление процессором, измерительные приборы, системы автоматизации, системы электропривода и многих других. У каждой отдельной системы существуют индивидуальные требования к ЦАП, например, разрешение, статические и динамические характеристики, потребляемая мощность и другие.

В параметрах и техническом описании указываются погрешность смещения, дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL) и другие параметры, необходимые для обеспечения хорошей производительности в системах постоянного тока, например таких, как управления электроприводом или каким-то технологическим процессом.

Некоторые приложения, например, для генерации сигнала на экране монитора, подчеркивают необходимость хорошей производительности на переменном токе, который в техническом описании указывается в таких параметрах как время отставания, шумы и полоса частот пропускания. Сделать само устройство с применением ЦАП значительно сложнее, чем выбрать цифро-аналоговый преобразователь из каталога, ведь в систему помимо ЦАП будет входить еще много электронных компонентов, влияние которых также нужно учитывать. Ниже мы попытаемся это рассмотреть.
Содержание:

Три основные архитектуры для точных ЦАП

При выборе точности цифро-аналогового преобразователя для вашей системы необходимо, чтоб спецификация ЦАП соответствовала требованиям системы. По сравнению с изобилием архитектур аналого-цифровых преобразователей АЦП выбор цифро-аналогового преобразователя может показаться легкой задачей, так как в ЦАП имеется всего три основных архитектуры. Но это только кажется что задача легкая, ведь различие в производительности каждой из архитектур довольно существенны.

В ЦАП используют три основные архитектуры – струнная (последовательная), R-2R, умножающий ЦАП (multiplying DAC (MDAC)).

Струнный цифро-аналоговый преобразователь

Концепция, лежащая в основе струнного цифро-аналогового преобразователя, исходит от Лорда Кельвина с середины 1800 годов:

Входной декодер имеет несколько переключателей, по одному для каждой комбинации битов. Каждый цифровой вход подключается к соответствующему напряжению усилителя выходного напряжения.

N – битовый ЦАП состоит из последовательности 2 N соответствующих резисторов, а также источника напряжения на одном конце, и «земли» на другом. Трехбитный ЦАП (рисунок выше) требует восемь резисторов и семь переключателей, но эти цифры растут очень сильно с повышением разрядности и для 16 битного ЦАП необходимо уже 65536 резисторов!!! Это число очень большое, даже для современных систем. Для уменьшения количества резисторов используют интерполяционные усилители и ответвления на отдельные резисторы.

Струнные или последовательные цифро-аналоговые преобразователи вполне подходят для большинства точных приложений таких как, контроль перемещений, системы автоматического управления (в сервоприводах и при управлении электроприводом).

Выходное напряжение струнных ЦАП изначально монотонное с хорошей дифференциальной нелинейность (DNL), но его интегральная нелинейность (INL) не очень хороша, так как напрямую зависит от погрешности резистора. С точки зрения систем переменного тока струнные ЦАП демонстрируют более низкую производительность в сравнении с другими архитектурами, так как обладает довольно высоким уровнем шумов, что вызвано большим полным сопротивлением резисторов, а структура коммутации приводит к замедлению обработки сигналов при переходах, ограничивая при этом скорость обновлений.

Архитектура R-2R

Данная архитектура наиболее распространена среди цифро-аналоговых преобразователей и схема ее показана ниже:

Данная архитектура использует только резисторы с двумя различными сопротивлениями, соотношения между которыми определяются как 2 к 1.

При установке конкретного бита соответствующий 2R резистор переключается в положение V REF — H , в противном случае он устанавливается в положение V REF — L (земля). В результате получаем выходное напряжение, которое будет являться суммой всех лестничных напряжений 2R.

Архитектура R-2R хорошо подходит для применения в промышленных установках и устройствах. Они более точны, чем струнные цифро-аналоговые преобразователи, имеют более низкий уровень шумов из-за наличия меньшего результирующего сопротивления, а также у них лучше INL и DNL производительность.

Преобразование сигнала в преобразователе с архитектурой R-2R представляет собой переключение ножки 2R между V REF — H и V REF — L . Внутренние резисторы и переключатели внутри устройства не совпадают идеально, что может приводить к определенным сбоям в процессе переключения.

Умножающий цифро-аналоговый преобразователь MDAC

Умножающий преобразователь MDAC тоже использует архитектуру R-2R, но с опорным напряжением V REF . Схема ниже:

Когда бит установлен, соответствующий 2R резистор подключается к виртуальной «земле» — суммирующий операционный усилитель. Именно поэтому умножающий цифро-аналоговый преобразователь выдает не напряжение, а ток, при этом опорное напряжение V REF может превышать номинальное или вовсе быть отрицательным.

Источник V REF «видит» в MDAC постоянное сопротивление, равное R, поэтому имеет всегда постоянный выходной ток, что повышает производительность во время быстрых переходов, так как нет необходимости ждать пока восстановится величина опорного напряжения. В зависимости от цифрового кода текущий поток разделяется на выходной контакт, и контакт заземления. Это значит, что выходной импеданс будет различен, а это несколько затрудняет выбор внешнего операционного усилителя ОУ.

Для повышения производительности выхода MDAC включают в качестве обратной связи внутренний резистор с тепловой реакцией, примерно соответствующей внутреннему резистору ступени. Внутренний шум из умножающего цифро-аналогового преобразователя исходит как от сопротивлений ступеней, так и от сопротивления обратной связи. Поскольку выходное сопротивление является кодозависимым, то от него зависит и коэффициент усиления шумов, хотя уровень шумов у MDAC значительно ниже, чем у последовательных (струнных) ЦАП. Стоит отметить, что внешний операционный усилитель ОУ может быть с низким уровнем шумов.

Одним из недостатков является то, что входной сигнал является обратным выходному, что в свою очередь требует дополнительной операции инвертирования.

Понимание параметров производительности переменного тока

Для получения максимальной производительности при работе цифро-аналогового преобразователя на переменном токе нужно понять определенные тонкости, а также возможные шаги, которые можно сделать для оптимизации.

Время, необходимое для выхода операционного усилителя ОУ на окончательное значение, является одним из основных показателей качества ЦАП. Ниже показаны участки времени срабатывания цифро-аналогового преобразователя:

• Мертвое время (Dead time ): это время, необходимое для достижения 10% от требуемого значения выходного аналогового сигнала, начиная с момента, когда цифровой код поступил на цифро-аналоговый преобразователь;
• Время нарастания выходного сигнала(Slew time ): время, необходимое для возрастания аналогового выходного сигнала с 10% до 90%;
• Время восстановления и установления(Recovery time, linear settling time ): перерегулирование и установление аналогового сигнала заданной формы;

После установления значения выходного аналогового сигнала в диапазоне допустимой ошибки процесс считается завершенным даже в случае, если сигнал все еще колеблется, но не выходит за пределы допустимой ошибки.

Ниже показан переходный процесс реального 18 битного, одноканального, R-2R цифро-аналогового преобразователя DAC988:

Время установления сигнала измеряется от момента перехода сигнала LDAC на низкий уровень, после чего начался переходный процесс в системе. Обратите внимание на то, что процесс убывания сигнала самый длительный, с долгим процессом восстановления и несущественным влиянием на него статического сигнала.

Ошибки переключения

Идеальное изменение выходного сигнала ЦАП – это монотонное его нарастание или спадания, но в реальности это не так, а изменения сигнала происходят скачкообразно. В отличии от времени установления, ошибка переключения вызвана не соответствием внутренних переключений (доминирующий фактор), или же емкостными связями между входными цифровыми и выходными аналоговыми сигналами:

Ошибка характеризуется площадью под положительным и отрицательным ложным импульсом и измеряется в вольт-секундах (чаще всего в мкВ∙с или нВ∙с).

С возрастанием количества параллельных переключателей возрастает и ошибка. Это один из недостатков архитектуры R-2R. Ошибки в архитектуре R-2R наиболее заметна при изменении всех битов или при переключении наиболее значащих битов, при переключении из 0x7FFF в 0x8000 (для 16-битных ЦАП).

Если уменьшить количество переключающихся последовательных резисторов нельзя, то применяют на выходе преобразователя, схемы показаны ниже:

На рисунке а) показан самый простой RC фильтр, который устанавливается на выходе и позволяет несколько снизить уровень амплитуды выходной ошибки, однако тем самым он затягивает скорость нарастания сигнала, чем увеличивает время отставания. На рисунке b) представлен вариант с добавлением выборки и удержанием цепи. Да, это позволяет снизить ошибку практически до нуля, однако реализовать такую схему чрезвычайно сложно, так как она накладывает жесткие требования к временным показателям срабатывания, а также жесткую синхронизацию с частотой обновления ЦАП.

Источники шума

Шум – один из важнейших компонентов производительности современного цифро-аналогового преобразователя на переменном токе. Существует три основных источника шума – внутренняя цепь резисторов, внутренние и внешние усилители, источники опорного напряжения. Влияние внутренних резисторов на шумы преобразователя рассматривалось ранее в этой статье, поэтому рассмотрим остальные два источника шумов.

Шум внешнего операционного усилителя ОУ

Выход усилителя ЦАП является еще одним источником шумов. MDAC использует внешний операционный усилитель, но другие архитектуры используют внутренний ОУ, чем влияют на общий коэффициент выходных шумов.

Шум в схеме операционных усилителей имеет три основных составляющих:

• 1/f шума или фликкер-шум;
• Шумы широкополосного напряжения или белый шум;
• Шумы напряжений и токов на резисторах;

Первые два считаются внутренними свойствами самого операционного усилителя ОУ, а полоса пропускания ограничивается самим цифро-аналоговым преобразователем, что значительно снижает влияние широкополосных шумов. Для лучшей производительности на переменном токе следует обратить внимание на операционные усилители с низким уровнем 1/f шумов.

Шумы от внешнего опорного напряжения V REF

Выходные шумы ЦАП напрямую зависят от шумов в опорном напряжении, которое может быть как внешним, так и внутренним. Для обеспечения максимальной производительности и минимального уровня шумов необходимо использовать качественные источники опорного напряжения. Существует огромный выбор источников опорного напряжения от нескольких производителей.

Вывод

Получение максимальной производительности переменного тока от прецизионного ЦАП представляет собой сочетание понимания технических характеристик, выбора правильной архитектуры и добавления нужных внешних компонентов, и, конечно же, следование проверенным методикам выбора и расчета электронных компонентов.