Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Институт менеджмента и экономики "Галицька Академия"

Общие сведения

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в отдельных случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят о АЦП.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, является преобразованием непрерывной функции времени U (t), описывающая исходный сигнал, в последовательность чисел {U '(tj)}, j = 0,1,2 ,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U (t) в непрерывную последовательность {U (tj)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U '(tj)}.

В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм

, | (1)

где aj - некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени; fj (t) - набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

В общем случае выбор частоты дискретизации будет зависеть также от используемого в (1) вида функции fj (t) и допустимого уровня погрешностей, возникающих при восстановлении исходного сигнала по его отсчетам. Все это следует учитывать при выборе частоты дискретизации, которая определяет требуемое быстродействие АЦП. Часто этот параметр задают разработчику АЦП.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис. 2 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

В основу классификации АЦП установлен признак, указывающая на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться либо с помощью последовательной или параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величины.

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.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2N-1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.

Последовательно-параллельные АЦП

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей цене. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействия между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактние и конвеерние.

Многоступенчатые АЦП

В многоступенчатому АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве. Как пример на рис. 4 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одной и той же входном напряжении Uвх (tj). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.

Багатотактови последовательно-параллельные АЦП

Рассмотрим пример 8-разрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типу многотактних (рис. 5). Здесь процесс преобразования разделен во времени.

Быстродействие рассматриваемого багатотактового АЦП определяется общим временем преобразования 4-разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП с погрешностью, не превышающей 0,2 ... 0,3 кванта 8-разрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входит в общее время преобразования дважды. В результате при прочих равных условиях преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатый преобразователь, рассмотренный выше. Однако он проще и дешевле. По быстродействию багатотактови АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения. Примерами багатотактових АЦП является трехтактными 12-разрядный AD7886 со временем преобразования 1 мкс, или трехтактными 16 разрядный AD1382 со временем преобразования 2 мкс.

конвеерных АЦП

Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвеерных принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обычном многоступенчатому АЦП (рис. 4) вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе при преобразовании остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвеерных АЦП, схема 8-разрядного варианта которого приведена на рис. 6.

Таким образом, конвеерных архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохождения сигнала, соответствующая привычном многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, не имеет существенного значения, поскольку при дальнейшей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП. Действительно, например, для построения 12-разрядного АЦП из четырех 3-разрядных необходимо 28 компараторов, тогда как его реализация из двух 6-разрядных потребует 126 компараторов.

Конвеерную архитектуру имеет большое количество выпускаемых в настоящее время многоступенчатых АЦП. В частности, 2-ступенчатый 10-разрядный AD9040А, исполняющий до 40 млн. преобразований в секунду (МПС), 4-ступенчатый 12-разрядный AD9220 (10 МПС), потребляющий всего 250 мВт, и др.. При выборе конвеерных АЦП следует иметь в виду, что многие из них не допускает работу с низкой частотой выборок. Например, изготовитель не рекомендует работу ИМС AD9040А с частотой преобразований менее 10 МПС, 3-ступенчатого 12 разрядного AD9022 с частотой менее 2 МПС и т.д. Это вызвано тем, что внутренние УВХ имеют довольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования.

АЦП последовательного счета

Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП

Загрузка...

Страницы: 1 2 3