Главная » Мануалы

1 ... 33 34 35 36 37 38 39 ... 43

вход си ff-хрошзации

B,f8

г OF f7

fiC f6

в, f5

6 CE

7CLB ir/Z 8 PH

Э0 OnЮ

Л-мкФ -мкФ

т

Bs ts ВС /6

т

4 Ц. Bj fS

Вг t4

В, f3

6 CE

7 CLH 8PH

ЭОп^ OnЮ

Ю

Рис. 6.41. Соединение двух параллельных преобразователей для увеличения быстродействия в два .раза.

приведен на рис. 6.40. Увеличения скорости преобразования можно достичь путем опроса двух устройств противофазными тактовыми импульсами, благодаря чему в один тактовый интервал получаются два результата преобразования (рис. 6.41).

Выпускаемые преобразователи последовательного приближения имеют ряд отличий, на которых следует остановиться под-

Регистр тс-ледобателб -ноео при&гиж.

Управление ключами и Выход

Рис. 6.42. Простой 8-разрядный АЦП с использованием резисторной лестничной цепи.

робнее. Уже упоминаемая при обсуждении ЦАП структура, показанная на рис. 6.42, часто используется при разработке 8-разрядных АЦП и нередко размещается на одном кристалле вместе с входным мультиплексором (как, например, в ADC0808) или с небольшим микрокомпьютером (например, 18022). В них применены набор одинаковых резисторов аналогично тому, как это сделано в параллельных преобразователях, и, кроме того, регистр последовательного приближения для определения того отвода, который соответствует в наибольшей степени входному сигналу. Хотя при этом удается избежать пропуска кодов (см. ниже), получаемая линейность обычно не соответствует требуемой для 8-разрядного АЦП точности.

Такая длинная лестничная схема не позволяет достичь большей точности (разрядности). Более гибкая схема приведена на рис. 6.43, где резисторы лестничной схемы сочетаются с набором

	в,&в.

А

Рис. 6.43. ADC0801: смешанный резистивно-конденсаторный АЦП последовательного приближения. Каждый набор из четырех ключей управляется двумя разрядами регистра последовательного приближения и противофазными тактовыми импульсами А и Л.

конденсаторов, имеющих определенное отношение емкостей, что позволяет более эффективно получать тот же результат. Входное значение сравнивается в компараторе, имеющем систему автоматической коррекции нуля и управляемым регистром последовательного приближения, со значением, определяемым двумя точками лестничной цепи, взвешенными в соответствии с отношением емкостей. Такой принцип используется в семействе ус-, тройств ADC0801-4, ,

Аналогобая земля

Аналоговая земля S

СППЗУ [j3y

Г

Тантобый генератор

ныи ушшу-miroA \тор

к Выход с j4?-U, ) тремя сос- ) -оп \рюятями -о/У -о/й'

I-017

п

I-ое I-08

3 -ой7 I-off

-о/г

т CSAO BUS

Рчс. 6.44. 14-разряд11ым КМОП-АЦП последовательного приближения с коррекцией на ППЗУ. РПП - регистр последовательного приближения и управляющая логика.

Для получения большей точности необходимо, как это было /гоказано при рассмотрении ЦАП, применять лазерную подгонку. Хотя система с ППЗУ, показанная на рис. 6.18, совместно с регистром последовательного приближения может дать такой же результат, новая модификация принципа работы АЦП последовательного приближения имеет ряд существенных преимуществ: новое устройство ICL7115 фирмы Intersil тому пример. Блок-, схема этого устройства приведена на рис. 6.44. Основное отли-. чие от нормального АЦП состоит в наличии ЦАП с основа-, нием системы счисления не 2,0, как при обычном двоичном взвешивании, а около 1,8. Такое значение гарантирует, что если при сравнении граничных значений в компараторе произойдет ошибка, то она может быть исправлена на следующих этапах преобразования. Для этого к каждому сравниваемому значению добавляется временное приращение, которое после проведения пробы исключается. Кроме того, результат наращивается в сумматоре и основывается на действительном значении аналогового' сигнала в каждой ветви (хранятся в ППЗУ), добавляемом по мере запоминания. Результатом является создание цифрового откалиброванного АЦП, требующего больше шагов (17возмож-. иых ветвей, проб и циклов необходимы для получения 14-разрядной точности), но это компенсируется увеличением скорости работы компаратора. Этот АЦП разработан по КМОП-техноло-. гни и имеет малую мощность рассеивания, выход с тремя со-. стояниями, а также возможность сопряжения с микропроцессо.1

Ч5В

ИР28бО 39к5м

gsjem ij, n,, у^ №щ prog г-ашв r, ig,

fi ICL7mB

-A. C3P ИЗР

. Работа -

HP2SOO + JB

£ а,-

AH2S103

D S. CC

Состошие

Рис. 6.45. Фазирование 14-разрядного АЦП последовательного приближения на двухполярном ЦАП.

ром - СВОЙСТВОМ некоторых современных АЦП, включая изобра- женный на рис, 6.43-.

Одним из вопросов, требующих особого внимания при разработке АЦП последовательного приближения, является обеспечение фазовых соотношений в двухполярном преобразователе в' случае применения двухполярного ЦАП, такого как, например, ICL7134. Здесь старший значащий разряд должен быть обработан наиболее тщательно, так как его инверсия влияет на результат в такой же степени, как инверсия веех остальных разрядов-, вместе взятых. На рис. 6.45 иоказано правильное соединение при использовании в качестве регистра последовательного

Регистп лос-

Рис. 6.46. Смещение двухполярного АЦП последовательного приближения.

Vbx ?bx + Von/(nl/?Bx) + /цАП = о, ИЛН V = вх/цАП- mVon.

приближения двух схем типа AM25(L)03. В данной схеме производится инверсия СЗР, которая позволяет использовать как биполярный выход встроенного ЦАП, так и реализовать выходной сигнал в дополнительном коде при необходимости. Заметим, что для оптимизации времени преобразования, связанной со временем установления компаратора, используется разная тактовая частота при обработке старших и младших разрядов. Кроме того, для сокращения времени установления входного сигнала компаратора в схеме используется двухкаскадный компаратор, обеспечивающий виртуальную землю на выходы ЦАП. Это приносит значительную пользу в случае, если суммарная емкость в этой точке существенна, что является типичным при реализации ЦАП по КМОП-технологии. При использовании ЦАП с переключаемой полярностью, как, например, в ЦАП типа DAC-100, необходимо соблюдать правильное фазирование подаваемых сигналов.

Более общим методом получения двухполярных АЦП последовательного приближения является смещение входного сигнала путем подключения к источнику опорного напряжения Уоп соответствующего резистора. На рис. 6.46 приведена схема преобразователя, разработанного на основе ЦАП с коммутацией тока, в которой применен такой вариант смещения. Резистор необходим для обеспечения согласования опорного и входного резисторов и в таких конфигурациях размещается в резисторных матрицах. В данной схеме выходной код может быть смещенным двоичным, а инвертированием СЗР (инверсный выход имеется в большинстве регистров последовательного приближения) можно получить на выходе дополнительный код.

В интегрирующих преобразователях основные отличия от устройств, рассмотренных в предыдущем разделе, касаются форматов выходного сигнала, охватывающего диапазон применений от управления семисегментным индикатором, который может быть представлен в двоично-десятичном коде, а также совме* щаться с микропроцессором по двоичной шине для осуществле-

*КВ -г5в

Вх. byqiepa

s3 рэ

1 F-cr о

интегр 4tStSni3tUf/0SS Т 6 Si3Z t

еихаб of- s7 \3s

Ma. зеп/г/!

Op. нонден-сатор О)

ЖЖЖЖЖЩ-

*г5в 5В rh ~>5в I \ stts

Гакг(/) Ганг (2)

MozuvecHoe управление

On. конденсатор (2)

Ркс. 6.47. 16-разрядный преобразователь с двоичным выходом.

НИЯ побайтового обмена и даже последовательного побитового обмена. Интегрирующий 16-разрядный АЦП на двух кристаллах с двоичным выходом, рассчитанным на стандартный интерфейс, а также на интерфейс для обмена по шине, приведен на рис. 6.47. Это устройство является другой границей диапазона интегрирующих АЦП, а первая граница обозначена преобразователями, приведенными на рис. 6.34 и 6.35. Некоторые из этих устройств переживают второе рождение, и именно они в основном используются для управления цифровыми табло и при построении цифровых мзльтиметров.

6.5. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АЦП

Основные параметры АЦП такие же, как и для ЦАП, однако . существует и некоторое различие. Разрешающая способность и в этом случае характеризует число разрядов (или эквивалентное им число цифр) цифрового выхода АЦП и тем самым определяет число различных ступенек входного сигнала. Наименьшая различимая ступенька входного сигнала, таким образом, определяется как частное от деления полной шкалы входного сигнала на это число, т. е. 2 для двоичной системы или 10 для десятичной системы счисления. Заметим, что привычное обозначение 3,5- или 4,5- значные преобразователи точнее должны были бы называться З'/з - или 4Уз -значные преобразователи, так как нормальный верхний предел счета составляет 2000 или 20 000. Заметим также, что полярность выходного сигнала часто выделяется отдельно, в результате чего удваивается число раз-

личимых уровней входного сигнала и тем сам добавляется еще один разряд.

Линейность определяется как отклонение отношения вход/ выход от идеального. Это отклонение может отсчитываться от наилучшей прямой линии , а для интегрирующих АЦП - от наилучшей прямой линии для положительных значений входного сигнала и для отрицательных значений входного сигнала, так что возможен небольшой разрыв при нулевом входном сигнале. Дифференциальная нелинейность означает, насколько больше или меньше идеальной ступеньки входного сигнала реальная ступенька, соответствующая соседним кодам. До некоторой степени связанный с этим параметр, обычно относящийся к АЦП последовательного приближения, касается возможности пропускания кодов. Если АЦП последовательного приближения реализован на основе немонотонного ЦАП (разд. 6.3), то может оказаться, что будут существовать такие коды, которые на выходе АЦП никогда не появятся. Это явление возникает в том случае, когда дифференциальная нелинейность превысит единицу младшего значащего разряда.

Быстродействие АЦП, как правило, определяется как скорость преобразования, т. е. та максимальная скорость, с которой можно получить новый результат преобразования. Иногда существуют ограничения на то, в какой степени полученные результаты независимы друг от друга. Так, например, в случае многих параллельных преобразователей задается ширина полосы, определяемая как максимальная частота, при которой выходной сигнал еще отслеживает входной с некоторыми искажениями выше тех, которые имеют место при гораздо более низких частотах. Эти искажения возникают в том случае, если входные сигналы компараторов не успевают отслеживать входной сигнал со скоростью, согласованной со скоростью получения новых результатов преобразования, так что результат преобразования оказывается зависимым в какой-то степени от предыдущего входного сигнала. Аналогичный эффект появляется и в некоторых других интегрирующих преобразователях, в которых небольшая остаточная погрешность может повлиять на работу системы автокомпенсации нуля, связанную с предыдущим преобразованием, особенно при наличии переполнения. В основном АЦП последовательного приближения не имеют такого недостатка, хотя с такой проблемой можно столкнуться при разработке схемы выборки и хранения, которая часто используется с АЦП такого типа (см. ниже).

Еще один параметр, который часто неправильно трактуют, - это показатель отношения . Совершенно очевидно, что значение цифрового выхода зависит от значения опорного сигнала, однако преобразователь с показателем отношений является преобра-

зователем, результат преобразования которого самым тесным образом зависит от отношения входного и опорного сигналов и не зависит от подгонки каких-либо компонентов. Таким образом, преобразователи с двойным интегрированием (рис. 6.34 и 6.46), параллельные преобразователи (рис. 6.25 и 6.26) и преобразователь последовательного приближения (рис. 6.42) являются пре-; образователями с показателем отношения , в то время как АЦП последовательного приближения (рис. 6.43-6.45) не являются таковыми, поскольку отношение некоторых пар конденсаторов и резисторов может изменять коэффициент шкалы, если это отношение изменяется со временем, температурой, режимом работы и т. п. Аналогично преобразователь с балансированием заряда (рис. 6.36) не является в строгом смысле слова преобразователем с показателем отношения , так как коэффициент шкалы зависит от пары резисторов.

Существуют другие технические характеристики, которые здесь не обсуждаются ввиду их очевидности. При необходимости работы на микропроцессорную шину серьезным препятствием может оказаться низкая нагрузочная способность преобразователя поскольку, как и у многих других периферийных устройств на ПЗУ, его выходного тока часто оказывается недостаточно для загрузки большой системной шины и для организации работы по ней может возникнуть необходимость введения в схему шинного магистрального усилителя. Для удобства применения АЦП в той его части, которая в основном определяет его точность, обычно используются схемы с дифференциальным входом, и* кроме того, в них нередко применяется дифференциальный вход опорного сигнала, что упрощает многие применения АЦП. Динамический диапазон значений опорного сигнала, который может быть использован, снизу ограничен шумом и напряжением смещения на входе и в этой связи должен выбираться с особой тщательностью. Такие характеристики АЦП, как входное сопротивление и ток потребления, очевидны, и, хотя диапазон мощности рассеяния, который охватывают АЦП, лежит от 2 Вт до 500 мкВт, в этом нет ничего удивительного!

6.5а. Список терминов

Дифференциальная нелинейность: разность между диапазонами входных сигналов, соответствующих двум соседним выходным кодам, и идеальным значением (единица МЗР).

Нелинейность: погрешность, обусловленная отклонением передаточной характеристики (строго говоря, в середине диапазона входного сигнала, соответствующего каждому значению выходного сигнала) от идеальной прямой линии,

Погрешность опрокидывания : разность между значениями отсчетов, соответствующих одинаковым амплитудам сигналов разного знака. Этот параметр является общим для всех интегрирующих преобразователей.

Показатель отношения: строго говоря, это преобразователь, коэффициент шкалы между значениями входных и опорных сигналов которого не зависит ни от значений компонентов, ни от их отношений, так что такой преобразователь не подвержен влиянию условий производства, времени или колебаниям, темпера- туры и т. п. Иногда ошибочно применяется к устройствам, в которых коэффициент шкалы является номинально основным числом (например, 2:1 или 1:2). Это свойство полезно в случае преобразования результата работы датчиков, выходной сигнал которых пропорционален управляющему напряжению, которое с свою очередь может быть использовано в качестве опорного напряжения АЦП.

Полная шкала входного сигнала: максимальное значение входного сигнала, при котором обеспечивается устойчивое считывание. Для параллельных АЦП и АЦП последовательного приближения это то же самое, что и значение опорного напряжения, в то время как большинство АЦП с двойным интегрированием имеет полную шкалу входного сигнала, в два раза превышающую опорное напряжение.

Пропускание кодов: существование теоретически таких кодов, которые на выходе практически не появляются. Обычно определяется величина, обратная указанной: отсутствие пропускания кодов, и обычно относится к АЦП последовательного приближения, хотя с этой проблемой также сталкиваются и при использовании других типов АЦП. Это понятие связано с понятием дифференциальной нелинейности, так как, если последняя состалляет /г МЗР, никакого пропускания кодов не наблюдается.

Разрешаюи{ая способность: значение МЗР. Так, п-разрядный АЦП имеет значение МЗР, определяемое отношением полной шкалы входного напряжения Упш к числу 2 ; аналогично и для десятичной системы. Разрешающая способность, линейность и точность - понятия разные, и их нельзя смешивать.

Скорость преобразования: максимальная скорость, при которой преобразование может быть выполнено правильно. Этот параметр может предполагать незначительное изменение входного сигнала между преобразованиями и определяется типом и детальной реализацией преобразователя. См. ширина полосы.

Ширина полосы: максимальная частота входного сигнала, при которой еще может произойти преобразование с определенным уменьшением выходного цифрового сигнала (относительно уровня аналогового сигнала), Заметим, что так называемая

1 ... 33 34 35 36 37 38 39 ... 43