|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 31 32 33 34 35 36 37 ... 43 6.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦАП Существует три основных параметра ЦАП: разрешающая способность, линейность п время установления. Разрешающая способность указывает на число разрядов входного цифрового сигналя и тем самым определяет число ступенек выходного аналогового сигнала. Это наименьшее приращение равно в среднем отношению опорного напряжения к этому числу, т. е. 2 . Линейность характеризует степень отклонения выходного значения от   Рис. 6.23. Определение линейности. Наилучшая прямая линия (а); прямая, соединяющая конечные точки преобразования (б). идеального и обычно задается в единицах МЗР. Заметим, что под идеальным значением обычно понимается либо наилучшая прямая линия , либо линия, соединяющая начальную (наличие нулей на всех входах) и конечную (наличие единиц на всех входах) точки характеристики преобразования. Второе определение является более жестким и, вообще говоря, более предпочтительным, особенно если учесть то обстоятельство, что большинство ЦАП удовлетворяет требованию обеспечения нулевого значения на выходе при абсолютном нижнем пределе цифрового сигнала на входе (рис. 6.23). дами (в данном случае четырьмя старшими разрядами). Этот ЦАП имеет 16 разрядов и обладает монотонностью характери-. стики, однако его линейность может быть гораздо хуже. Еще один класс ЦАП, до сих пор не рассмотренный, - это компандирующие ЦАП , используемые в цифровых телефонных системах. Функция выхода этих ЦАП, приведенная на рис. 6.21, такова, что его разрешающая способность при малых значениях гораздо выше, чем при больших, что позволяет несколько уменьшить число входных разрядов. Можно показать, что получение приемлемого качества речи достигается при значительно меньшей скорости передачи информации, чем требуемая в соответствующей линейной системе. Схема такого устройства приведена на рис. 6.22. Цифро-аналоговые преобразователи
Одиночный с защитой от перегрузок Дифференциальный С защитой от перегрузок IH6208/DG509 IH5208 IH6108/DG508 IH5108 IH6116/DGS07. IH6116/DG506 Аналоговые ключи Общего назначения DG180/191 семейство Высококачественные Ш5140/5 семейство Дешевые Ш5009/38 семейства Другой параметр, который часто путают с линейностью,- это монотонность, означающая, что выходной сигнал по мере увеличения входного цифрового кода постоянно увеличивается (это для нелинейных ЦАП не всегда справедливо). Нелинейность меньще половины МЗР гарантирует монотонность, но не наоборот. Теоретически можно разработать ЦАП, имеющий монотонную характеристику, в котором все ступеньки, за исключением одной, будут ничтожно малыми но тем не менее его нелинейность будет составлять полную щкалу! Для некоторых систем управления и при сходных применениях понятия монотонность и нелинейность (при их приемлемых значениях) тождественны, но в большинстве случаев линейность ЦАП должна быть по крайней мере близка или (более желательно) лучше его разрешающей способности. Время установления часто определяют как для малых, так я для больших скачков входного цифрового сигнала. В обоих случаях время установления определяется до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону шириной в единицу МЗР или менее. В большинстве ЦАП даже при небольших изменениях входных кодов цифровые коммутирующие сигналы от элементов управления через внутренние емкости поступают на выход, вызывая появление выбросов выходного сигнала. Внешние цифровые сигналы также могут проникнуть на выход через паразитные емкости в корпусе и- т. д. Проблема выбросов.и прямого прохождения сигналов может быть решена путем применения на выходе ЦАП схемы выборки и хранения, что потребует выполнения некоторых требований по тактированию и последовательности действий. Такие характеристики ЦАП, как вид выхода (по току или по напряжению), полный ЦАП или умножающий ЦАП, являются важными с точки зрения удобства применения, а часто и с экономической точки зрения, однако устройство, которое плохо подходит для конкретного применения, может быть, как было показано, преобразовано в другой тип. Это справедливо и в отношении других параметров, которые могут быть приведены в справочных листках на ЦАП: тока потребления, уровней логических сигналов и т. п., а также наличия встроенных информационных регистров, которые, в частности, очень удобны при совмещении с микропроцессорами. Однако все указанные характеристики являются достаточно очевидными, и о них нет больше необходимости говорить. 6.3а. Список терминов Время установления: время, требуемое для установления выходного сигнала ЦАП в пределах, соответствующих половине еди- 6.4. ПРИНЦИПЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Как и раньше, можно провести деление АЦП на АЦП, использующие при работе непосредственно входное напряжение, и на АЦП, в которых преобразование осуществляется с использованием методов временного разделения. Почти все АЦП используют в качестве входного сигнала напряжение, и методы, упомянутые выше, можно рассматривать как исключение; поэтому различие АЦП по этому признаку здесь проводиться не будет. ницы МЗР для заданного изменения кода на входе, например при его изменении от нуля до полного значения шкалы. Двухполярный выход: выход устройства или структуры, который может изменяться от положительного до отрицательного значения в зависимости от цифровых входов. Монотонность: свойство всегда увеличивать значение на выходе при увеличении кода на входе. Это свойство гарантируется при линейности не хуже половины единицы МЗР, но не наоборот. Может быть полезным свойством само по себе, но не следует путать с линейностью. Нелинейность: погрешность, вызванная отклонением передаточной характеристики от прямой линии. Эта прямая линия может быть определена как наилучшая либо как соединяющая конечные точки преобразования. Для умножающих ЦАП это свойство должно соблюдаться для всего диапазона. Погрешность прямого прохождения: погрешность, вызванная прямым прохождением опорного напряжения Von на выход умножающего ЦАП при нулевом цифровом коде на входе. Не путать с прохождением цифрового сигнала. Прямое прохождение цифрового сигнала: погрешность, вызванная прохождением цифрового сигнала на входе (или выходе) устройства на его аналоговый выход из-за наличия паразитных емкостных связей. Разрешающая способность: значение МЗР. Таким образом, -разрядный ЦАП имеет разрешающую способность Von/2 . Разрешающая способность не подразумевает линейность, и эти два термина путать не следует. Усиление: отношение напряжения на выходе умножающего ЦАП к опорному напряжению Von на входе. Соответствует погрешности коэффициента действующей шкалы. Для полных ЦАП это понятие часто входит в определение значения опорного сигнала. 0 более общих позиций лучше провести разделение АЦП по основным методам преобразования, что мы здесь и делаем. \ Основные методы аналого-цифрового преобразования следующие: параллельный или мгновенный , последовательного приближения и интегрирования , а преобразователи, в которых используются эти методы, имеют соответствующие названия. Каждый из методов будет описан и, кроме того, будут рассмотрены смешанные методы, а также методы, совершенно отличные от указанных. Прежде чем перейти к описанию этих методов аналого-цифрового преобразования, было бы полезно рассмотреть их некоторые типовые характеристики. На рис. 6.24 Лреобразоватеми 3300 тслебобателб--. /г~еомм. него при&миже-\У^230 уг-77арау7мелбные \ у^пресбраэсватли Точность- Окисло разрядо>  /бОдолл. , Спорость преобразо^ банан Рис. 6.24. Диаграмма цепа - параметр для аналого-цифровых преобразователей. представлен трехмерный график: быстродействие (число преобразований в секунду) - точность (число разрядов) - стоимость. Если точность выразить в процентах, то по всем трем осям получится логарифмический масштаб. Интересно заметить, что ни одна из зон , занимаемых каким-либо одним основным типом преобразователя, не пересекается с другими и что получение наивысшего быстродействия сопровождается резким увеличением стоимости. Так как возможности рассматриваемых типов преобразователей не пересекаются, нет ничего удивительного в том, что каждый из них имеет свою область применения: там, где требуется низкое быстродействие, в основном используются интегрирующие АЦП, в то время как при обработке видеосигна- I 0/?op/fb/u i сигнал В Jmapampb/   Регистры ном-паратороб и /V-строш/й дВоичт/й uiugjpamop рядный dBouvm/й Выход Рис. 6.25. Параллельный АЦП. ЛОВ, В телевидении и в радиолокации применяются почти исключительно параллельные АЦП. Промежуточное положение занимают АЦП последовательного приближения. 6.4а. Параллельное преобразование Этот метод аналого-цифрового преобразования можно определить как метод грубой физической силы . Здесь для каждого возможного вы.ходного уровня используется один компаратор, и общий выходной сигнал получается в виде двоичного кода путем соответствующего декодирования (рис. 6.25). Обычный аналоговый компаратор можно рассматривать как одноразрядный параллельный преобразователь, и если он является фиксирующим устройством, то получается уже преобразователь с регистром на выходе! Как правило, такой преобразователь имеет внутреннюю архитектуру конвейерного типа, благодаря чему цифровую обработку одного отсчета можно осуществлять одновременно с записью следующего отсчета. Такой способ позволяет осуществлять преобразование очень быстро: новый результат появляется на каждо.м такте. С другой стороны, в этом случае требуется большое число компараторов (255 или 256 для 8-разрядного преобразователя), что предопределяет относительно высокую стоимость устройства. В недалеком прошлом такой преобразователь Сервдит опорного сиенама Тангпо- г=п выи сиг- IZj нал Фаэиро-вание l£j- г ,-5 (ном.) Стада-щ \  Рееистры номпара-торов и могичесная схема де-нодирова-ния va - ск 3-состонние Прпрппп- Ой - СИ du -сн DO -СН 0, Т - (6б/борна сигнала) >-j j (автонсмпвнсация) Wss.. Переполнение t>-f с4-<<}-[£] jjumpon I Рис. 6.26. Параллельный преобразователь с автокомпенсацией. составлял внушительный кусок оборудования, но в последнее время появился ряд АЦП в интегральном исполнении с числом разрядов от 4 до 9. Помимо очевидной сложности многоразрядных параллельных АЦП они имеют ограниченную точность из-за входных напряжений смещения компараторов. Разность соседних напряжений может составлять лишь несколько милливольт, и, если суммарное смещение пары соседних компараторов превышает эту величину, логический сигнал в неправильной последовательности поступит на логическую схему декодирования. Даже если логика работы схемы предусматривает это, ошибка тем не менее неизбежна. Эта проблема решается при реализации преобразователя такого типа в виде интегральной схемы при необходимости обеспечения небольших размеров бесполезной площади компаратора, чтобы достичь как высокого быстродействия, так и держать в разумных пределах бесполезную площадь кристалла и выход готовых изделий. В последнее время появился новый преобразователь в виде интегральной схемы на КМОП-структуре, в котором указанная проблема решается путем автокомпенсации смещения нуля каждого компаратора в течение части цикла преобразования. Как видно из рис. 6.26, на вход каждого компаратора подключается конденсатор, соединенный с соответствующей точкой опорного сигнала, а выход компаратора соединен с его же входом. Поэтому конденсатор заряжается до напряжения, равного сумме напряжения точки опорного сигнала и напряжения смещения компаратора. В течение другой части цикла конденсатор подключается к точке подачи входного сигнала; в то же время петля обратной связи компаратора разрывается, разность напряжений в точках подачи входного и опорного сигналов воздействует на компаратор и соответствующий сигнал появляется на выходе. Большие коммутируемые токи конденсаторов приводят к некоторой балансировке, а получение низкого входного сопротивления обычно не является проблемой в высокоскоростных системах, где применяются эти устройства. Такой тип преобразователей широко используется при обработке телевизионных и радиолокационных сигналов, причем для кадровой синхронизации в телевидении он дополняется буфером магазинного типа, а в радиолокационных системах - системой быстрого преобразования Фурье для проведения перекрестного анализа и т. п. 6.46. Преобразователи последовательного приближения Преобразователи последовательного приближения строятся на основе ЦАП и логической системы, которая управляет ЦАП до момента согласования его выходного сигнала с входным аналоговым сигналом АЦП. В этом случае цифровой вход ЦАП будет соответствовать требуемому выходному цифровому сигналу АЦП Упрощенная блок-схема устройства показана на рис. 6.27. Регистр последовательного приближения представляет собой ту логическую систему, которая реализует предписанный алгоритм. В компараторе происходит сравнение входного сигнала с выходным сигналом ЦАП, а результат логической обработки вновь поступает в регистр, выходной цифровой сигнал которого в конце преобразования будет соответствовать требуемому значению. Временная диаграмма работы преобразователя приведена на рис. 6.28. Как видно из диаграммы, сигналом с регистра последовательного приближения СЗР устанавливается в логическую 1, а все остальные разряды - в логический 0. Это значение соот-. ветствует половине полной шкалы преобразования, и после пер* вого периода тактового сигнала на регистр последовательного приближения с выхода компаратора приходит сигнал логиче-. Аналогобыи вход о Иомпаратор +  СдР<) Начало пре- L оВразооатя /?/7 с выходом ло токр < 1......I 1 о ( I ( i 9 9 МЗР Регистр последователь-пого придлижепия Устр. сан-\ хронизаира- Сиенал - окончи пая преоеразо^ бания Рис. 6.27. Блок-схема преобразователя последовательного приближения. I 1 Тантовб/е импульсы Запрсн Данньее П &5~ I 4 I 9 I -С вб ашение о разряЗе не Аналш 1 y-JHeiue/jua о разряде в4 ~\ &f=eiueHue оразрлЗе вз 1 [нешенге реЩ;22 \ef Щ-Решорспо.н1 Ашлиз \МЗР \Р^ш,дМЗР Ноне и -- преоаз. -- Выхоо пос- i ледовит, даннб/х Рис, 6.28. Временная диаграмма работы. (Для иллюстрации на выходе последовательных данных показана комбинация 01010101.) J-I Г-С ского сравнения сигнала на выходе ЦАП с входным аналоговым .сигналом. Если входной сигнал больше сигнала на выходе ЦАП, .то в регистре последовательного приближения состояние логической 1 СЗР сохраняется; если меньше, то СЭР сбрасывается в О и устанавливается в состояние логической 1 второй значащий разряд. И эта процедура будет повторяться до тех пор, пока не будет установлен в состояние логической I МЗР и не проанализирован, как и все предыдущие разряды. На рис. 6.29 показано развитие процесса последовательного приближения в аналоговом виде и то, каким образом происходит получение правильного результата для конкретного значения анализируемого сигнала. В дополнение к представлению процесса последовательного приближения с помощью логического анализатора и осцил- Входное значение Значение после -доВа тельного приближения Рис. 6.29. Последовательные приближения. Рис. 6.30. Алгоритм последовательно-то приближения. Установить СЗР (разряд 2) Выдержать время рстанобления if входного аналог>-енала? дет Шнртть Хразряд Ьоверит&ет /полнено ли) ?фаэов^ , Верить следующий раз- Результат лографа на рис. 6.30 приведено его алгоритмическое представление в виде блок-схемы алгоритма. Если рассматривать программную реализацию, то функцию регистра последовательного приближения может выполнить компьютер при введении соответствующих аппаратурных связей. Действительно, довольно легко создать такую систему, которая работала бы как ЦАП или как АЦП последовательного приближения в зависимости от программного управления. Схема АЦП последовательного приближения, встречающаяся на практике, представлена на рис. 6.31. В этой схеме в качестве ЦАП используется ЦАП, изображенный на рис. 6.8, и регистр последовательного приближения типа АМ2504, управляемый компаратором стандартного типа. Резистор обратной связи предназначенный для получения выхода по напряжению (см. разд. 6.2г), в данной схеме используется как входной резистор. Это позволяет получить точность, соответствующую точности 1 ... 31 32 33 34 35 36 37 ... 43 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||