Как работает конвейерный ацп

Конвейерный ацп

Структурная схема конвейерного АЦП приведена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Конвейерный АЦП

Конвейерный АЦП является расширением двухшагового АЦП в сторону увеличения числа каскадов до N и уменьшения разрядности АЦП и ЦАП каскада до одного (рис. 9.2.). В некоторых случаях в каскаде используют многоразрядные АЦП и ЦАП. Хотя время преобразования определяется последовательной обработкой входного сигнала во всех каскадах, частота выборок – в N раз выше и определяется временем обработки сигнала в одном каскаде. Конвейерное прохождение сигнала через последовательную цепь каскадов позволяет получить в таком АЦП высокую частоту оцифровки входного сигнала. Ограничения на точность АЦП накладывают высокие требования к характеристикам усилителей каскадов и схем УВХ.

Ацп последовательного приближения

Структурная схемаАЦП последовательного приближения приведена на рис. 9.3.

АЦП последовательного приближения (рис. 9.3) является одним из часто применяемых АЦП для оцифровки сигналов в диапазоне средних частот. Его популярность обусловлена хорошими характеристиками, невысокой сложностью и малой занимаемой площадью кристалла. Как правило, строится на основе ЦАП и регистра последовательного приближения.

11. Типы цап

На основе цепочки резисторов

Подключение требуемого узла резистивной цепочки к выходу производится с помощью каскада ключей или цепочки ключей . Хорошая монотонность достигается за счет увеличенной площади кристалла и тока потребления

Применение нескольких ступеней приводит к экономии площади. Ухудшение монотонности возможно на границах переключаемых диапазонов

На основе резистивной матрицы

Расположение цепочки резисторов и ключей в виде матрицы позволяет существенно экономить площадь при большом количестве резисторов

R – 2R матрица

Хорошая монотонность обеспечивается при приемлемой площади кристалла

На основе токовых ключей

Хорошая монотонность достигается за счет применения большого количества ключей

С перераспределением зарядов

Для построения ЦАП используется матрица двоично-взвешенных конденсаторов.

Для ЦАП большой разрядности матрицу делят на две части. При низком токе потребления и малой площади ЦАП имеет хорошее быстродействие и приемлемую монотонность

В двухкаскадной структуре в качестве каскадов используются резистивная матрица и двоично-взвешенные конденсаторы. Порядок следования каскадов может быть различным.

Достоинством последовательного ЦАП является его простота и малая занимаемая площадь. К недостаткам относится большое время преобразования

Пример ЦАП на основеR – 2R матрицы приведен на рис. 13.4.

Рис. 13.4. 4 – разрядный ЦАП на основе R–2R матрицы

МатрицаR – 2R формирует кратные двум опорные напряжения. Хорошее согласование обеспечивается за счет использования в матрице одинаковых резисторов.

12. ∆Σ – АЦП. Принципы.

Структурная схема и диаграммы выходных сигналов блоков типового  АЦП приведены на рис. 10.1, где f_в – верхняя граничная частота входного сигнала, f_s – частота дискретизации.

Конвейерный ацп

Архитектура конвейерного АЦП представляет собой наиболее высокопроизводительный класс АЦП, оцифровывающий один бит за такт. Это устройство есть нечто среднее между АЦП последовательного приближения и параллельным АЦП. В конвейерном АЦП N шагов преобразования (N–разрядность АЦП). Действие этого преобразователя подобно конвейеру. Вначале входное напряжение поступает на вход АЦП соответствующего старшему биту, так мы получаем старший бит. Далее полученное двоичное число переводится обратно в аналоговый сигнал и разность входного напряжения и этого сигнала поступает на вход АЦП соответствующего следующему по старшинству биту, и так далее.

Рис. 11.2. Конвейерный АЦП

Данное преобразование может быть в несколько раз быстрее соответствующего последовательного приближения, что делает его применимым для высокоскоростного преобразования.

Лекция 12.

Основные характеристики АЦП. Правила выбора АЦП.

Линейность

Рис. 12.1. Общая ошибка, вызванная нелинейностью преобразования

Нелинейность преобразователя, измеряемая в %, есть отклонение аналоговых величин от прямой линии, найденной эмпирически или построенной по двум крайним точкам.

Дифференциальная линейность

Рис. 12.2. Дифференциальная нелинейность.

В АЦП расстояние между средними точками соседних переходов должно быть равно: +/- 1 младшего бита. Дифференциальная нелинейность это отклонение между ожидаемыми и реальными средними точками соседних переходов.

Интегральная нелинейность

Рис. 12.3. Интегральная нелинейность.

Нелинейность усиления

Рис.12.4. Нелинейность усиления

Нелинейность усиления можно оценить как

где T_N– смещение напряжения N-го дискретного уровня.

Ошибка смещения

Рис. 12.5. Ошибка смещения

Динамические параметры.

Отношение сигнал / шум.

где Nа – количество ‘эффективных битов’.

Общие гармонические искажения (THD).

THD показывает разность между идеальным сигналом и восстановленным после АЦП и ЦАП – преобразований сигналом. Это отношение между квадратным корнем квадратов амплитуд всех гармоник спектра к амплитуде основной гармоники. THD является следствием:

• искажением в линейной паре входных усилителей
• изменениями в опорных напряжениях и смещениях компараторов
• задержками аналоговых сигналов и тактовых импульсов

Входная полоса пропускания. Входная полоса пропускания показывает эффективное ослабление и смещение фазы высокочастотного входного сигнала, которое возникает из-за ограниченности внутренних входных шин и каскадов. Эффективная полоса пропускания. Эффективная полоса пропускания указывает на максимальную аналоговую частоту, для которой отношение сигнал/шум меньше 3 дБ или ½ мл. бита. Эффективное количество битов. На низких частотах эффективное количество битов лимитировано шумом дискретизации, а на высоких – помехами в синхронизации и искажениями. При известных THD и шуме дескретизации получим: NB = (S/(N+D)-1.76)/6.02 NB – наиболее важный параметр, который отображает доброкачественность АЦП как статически так и динамически. Лекция 13.Дельта-сигма АЦП. Основным преимуществом дельта-сигма преобразования является возможность достижения высокого разрешения без использования сложных технологий. Эти АЦП (рис.13.1) не нуждаются в цепях выборки/хранения. Это обеспечивает более высокую частоту выборки и, следовательно, более высокое разрешение. Например модулятор второго порядка обеспечивает 15 дБ сужения полосы дискретизационных шумов при удвоении частоты выборки. Входной сигнал суммируется на интеграторе, выход которого соединён с 1-битным АЦП. Компаратор сравнивает этот сигнал с каким-либо опорным напряжением, и на его выход подаётся либо “+”, либо “-“. Далее этот сигнал подаётся на цифровой фильтр, формирующий двоичный код, и на 1-битный ЦАП в обратной связи. Если на вход ЦАП подаётся “+”, то на выходе +V_REF, если “-“, то –V_REF. Благодаря этой обратной связи, состоящей из ЦАП и дифференциального усилителя, напряжение интегратора всё время стремится к нулю. На протяжении цикла преобразования среднее выходное напряжение ЦАП будет равно входному напряжению. В дельта-сигма АЦП разрешение в первую очередь связано с частотой выборки и порядком шумоподавления. Т.е. более высокое разрешение может быть достигнуто повышением частоты выборки или увеличением порядка модулятора. Сложность изготовления цифрового фильтра является одним из факторов ограничивающих перспективы монолитного сигма-дельта преобразователя. Этот АЦП нашёл широкое применение в высокоскоростном преобразовании из-за относительной простоты внутренней структуры, малому потреблению мощности и небольших размеров. Рис. 13.1. (а) (б) Рис. 13.2. Рис. 13.3. Рис. 13.4. Рис. 13.5. Рис. 13.6.

2.7. Ацп конвейерного типа

Принцип действия таких АЦП основан на последовательном сравнении измеряемого напряжения с некоторым опорным напряжением в блоках, состоящих из устройства сравнения, ключа и усилителя, который выделяет разность, входного и опорного напряжения для передачи в следующий блок.

В таких АЦП значение опорного напряжения выбирается из условия U₀ = 2 n . q, где q – квант преобразования; n – разрядность АЦП.

Обобщенная структурная схема такого АЦП представлена на рис. 2.28.

Работа схемы происходит следующим образом. Компаратор К₁ определяет знак разности напряжений U_X – U₀; если U_X  U₀, то на выходе К₁ будет «1». При этом по приходу импульса «1» с выхода У1 распределителя импульсов РИ, ключ SW1 замкнется. В результате на вход дифференциального усилителя ДУ1 поступит напряжение U₀. С выхода ДУ1 напряжение U₁ = 2(U_X – U₀) поступает на компаратор К2, который таким же образом определяет знак разности (U₁ – U₀). И если U₁  U₀, то будет замкнут ключ SW2 по приходу на него «1» с выхода У2 распределителя импульсов. Далее на ДУ2 поступит сигнал U₁ – U₀, который будет усилен в два раза и передан в следующий блок, и так далее для всех блоков.

РИ устроен таким образом, что «1», установленная на соответствующем его выходе, сохраняется до полного заполнения распределителя. Последующий после заполнения распределителя импульс производит запись выходных сигналов a₁ ÷ a_n всех компараторов в выходной регистр (на схеме не показан) и обнуляет РИ. После этого начинается следующий цикл преобразования.

Рис. 2.28. Обобщенная структура АЦП конвейерного типа

Компараторы схемы сравнивают следующие сигналы:

1. U_X – U₀ = U₁;
2. 2(U_X – U₀) – U₀ = U₂;
3. 22(U_X – U₀) – U₀ – U₀ = U₃;
4. 2U₃ – U₀ = U₄;
5. 2U₄ – U₀ = U₅;

и т. д. n. 2U_n-1 – U₀ = U_n. Если разность (2U_i-1 – U₀)  0, в соответствующем разряде установится «1», иначе – «0». Время преобразования такого АЦП ограничено быстродействием устройств сравнения: где f_гр – граничная частота усиления дифференциального усилителя, то есть частота, при которой можно пренебречь его частотной погрешностью некомпенсации (): где f_Т – частота единичного усиления ОУ; К = 2 – коэффициент усиления дифференциального усилителя. Зная , можно определить f_гр: Значение _НК, которым можно пренебречь, выбирается из условия < _КВ. Погрешности АЦП конвейерного типа

1. Погрешность элементов схемы дифференциальных усилителей.
2. Погрешность квантования.
3. Погрешность от порога срабатывания устройств сравнения (эту погрешность можно не учитывать, если порог срабатывания лежит в пределах U_П  q/2).

Достоинства АЦП конвейерного типа:

1. благодаря однородной структуре такой АЦП удобен для интегрального исполнения;
2. сравнительно высокое быстродействие.

Недостатки АЦП конвейерного типа:

1. большое число компараторов, а следовательно, малая надежность схемы;
2. такая схема может формировать только двоичный код, следовательно, при использовании ее в цифровых вольтметрах на выходе придется использовать преобразователь кода;
3. разрядность таких АЦП невелика (чаще всего не более 12).

Аналого-цифровое преобразование для начинающих

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.

«

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.

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

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

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 [3].

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.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

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:

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).

W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-020.pdf
W. Kester. ADC Architectures II: Successive Approximation ADC. Analog Devices, MT-021 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-021.pdf
W. Kester. ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics. Analog Devices, MT-022 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-022.pdf
W. Kester. ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications. Analog Devices, MT-023 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-023.pdf