Цифровое устройство с АЦП — это цифровое устройство, имеющее в своем составе аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Общие сведения об аналого-цифровом преобразовании
Аналого-цифровым преобразованием является процесс преобразования входной физической величины в ее численное отображение. Аналого-цифровым преобразователем является устройство, которое предназначено для выполнения такого преобразования. Формально, в качестве входной величины АЦП может выступать любая физическая величина, такая как, напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и тому подобное. Тем не менее обычно под АЦП понимаются исключительно преобразователи напряжения в цифровой код.
Понятие аналого-цифрового преобразования имеет тесные связи с понятием измерения. Под измерением следует понимать процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталонным значением, в частности при аналого-цифровом преобразовании выполняется сравнение входной величины с определенной опорной величиной (обычно с опорным напряжением). То есть, аналого-цифровое преобразование следует рассматривать как измерение значения входного сигнала, и, следовательно, к нему можно применять все понятия метрологии, в частности погрешность измерения.
Цифровое устройство с АЦП
АЦП обладает множеством характеристик, из которых главными следует считать частоту преобразования и разрядность. Частоту преобразования, как правило, следует выражать в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), а разрядность принято выражать в битах. Современные АЦП способны обладать разрядностью до 24-х бит и скоростью преобразования до единиц GSPS. Чем больше скорость и разрядность, тем более трудно получать необходимые характеристики, а также тем более дорогой и более сложный получается преобразователь. Скорость преобразования и разрядность обладают определенными связями друг с другом, и, например, можно увеличить эффективную разрядность преобразования за счет снижения скорости.
Известно большое количество типов АЦП, среди которых основными являются следующие типы:
- Тип АЦП, основанный на параллельном, то есть, прямом, преобразовании (flash ADC).
- Тип АЦП, основанный на последовательном приближении (SAR ADC).
- Тип дельта-сигма АЦП, то есть АЦП с балансировкой заряда.
- АЦП конвейерного типа.
- АЦП комбинированного типа, которые могут состоять из нескольких АЦП с разной архитектурой.
Самое большое быстродействие и самую низкую разрядность имеют АЦП прямого (параллельного) преобразования. К примеру, АЦП параллельного преобразования TLC5540, выпускаемый фирмой Texas Instruments, имеет быстродействие 40 MSPS, а разрядность только восемь бит. АЦП этого типа способны обладать скоростью преобразования до одного GSPS. Здесь следует подчеркнуть, что еще большее быстродействие имеют конвейерные АЦП (pipelined ADC), но они выступают как комбинация нескольких АЦП с меньшим быстродействием.
В средней нише в ряду разрядность-скорость располагаются АЦП последовательного приближения. Стандартными значениями для них считается разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS. Самой большой точностью обладают сигма-дельта АЦП, которые имеют разрядность до 24-х бит включительно и скорость от единиц SPS, до единиц KSPS.
Известен также еще один тип АЦП, применявшийся в недавнем прошлом, который называется интегрирующим АЦП. Интегрирующие АЦП сегодня практически уже не применяются и заменены иными типами АЦП, но могут повстречаться в старых измерительных приборах.
АЦП прямого преобразования начали использоваться в цифровых устройствах еще в семидесятых годах прошлого века, а в восьмидесятых годах прошлого века их начали выпускать в виде интегральных схем. Их также часто применяют в составе «конвейерных» АЦП, которые имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS. Архитектурная организация АЦП прямого преобразования представлена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Архитектурная организация АЦП прямого преобразования. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Принцип действия такого АЦП является предельно простым, а именно, входной сигнал подается одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» приходит ряд напряжений, которые получаются из опорного путем деления резисторами R. Для схемы, представленной выше, данный ряд будет таким:
(1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref,
где Uref является опорным напряжением АЦП.
Предположим, что на вход АЦП подано напряжение, которое равно 1/2 Uref. Тогда должны сработать первые четыре компаратора, считая снизу, и на их выходах должны появиться логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) должен сформировать из «столбца» единиц двоичный код, который будет зафиксирован выходным регистром.
Из этого примера можно понять достоинства и недостатки данного преобразователя. Все компараторы функционируют в параллельном режиме, то есть, время задержки схемы равняется времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор могут быть реализованы очень быстрыми, что в итоге позволит всей схеме иметь очень высокое быстродействие.
Однако, для того чтобы получить N разрядов, потребуется $2^N$ компараторов (при этом сложность шифратора также вырастет как $2^N$). Приведенная выше схема имеет в своем составе восемь компараторов и при этом обладает тремя разрядами, а для получения восьми разрядов потребуется уже 256 компараторов. Если пойти дальше, то для десяти разрядов потребуется задействовать 1024 компаратора, а для 24-битного АЦП их уже надо более шестнадцати миллионов.
АЦП последовательного приближения основан на алгоритме «взвешивания», который восходит еще к Фибоначчи. Данный преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) должен измерять величину входного сигнала, выполняя несколько последовательных «взвешиваний», то есть, он сравнивает величину входного напряжения с рядом значений, которые генерируются необходимым образом.
