Загальні відомості

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є пристроями, які приймають вхідні аналогові сигнали і генерують відповідні їм цифрові сигнали, придатні для обробки мікропроцесорами і іншими цифровими пристроями.

Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму, проте цю задачу вдається вирішити лише в окремих випадках через складність таких перетворювачів. Тому в даний час найраціональнішим признається спосіб перетворення різних по фізичній природі величин спочатку у функціонально пов'язані з ними електричні, а потім вже за допомогою перетворювачів напруга-код - в цифрові. Саме ці перетворювачі мають звичайно на увазі, коли говорять про АЦП.

Процедура аналого-цифрового перетворення безперервних сигналів, яку реалізують за допомогою АЦП, є перетворенням безперервної функції часу U(t), що описує початковий сигнал, в послідовність чисел {U'(tj)}, j=0,1,2,:, віднесених до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції. Перша з них називається дискретизацією і полягає в перетворенні безперервної функції часу U(t) в безперервну послідовність {U(tj)}. Друга називається квантуванням і полягає в перетворенні безперервної послідовності в дискретну {U'(tj)}.

У основі дискретизації безперервних сигналів лежить принципова можливість представлення їх у вигляді зважених сум

, | (1)

де aj - деякі коефіцієнти або відліки, що характеризують початковий сигнал в дискретні моменти часу; fj(t) - набір елементарних функцій, використовуваних при відновленні сигналу по його відліках.

У загальному випадку вибір частоти дискретизації залежатиме також від використовуваного в (1) виду функції fj(t) і допустимого рівня погрішностей, що виникають при відновленні початкового сигналу по його відліках. Все це слідує брати до уваги при виборі частоти дискретизації, яка визначає необхідну швидкодію АЦП. Часто цей параметр задають розробнику АЦП.

В даний час відоме велике число методів перетворення напруга-код. Ці методи істотно відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення і складністю апаратної реалізації. На мал. 2 представлена класифікація АЦП по методах перетворення.

У основу класифікації АЦП встановлена ознака, вказуюча на те, як в часі розвертається процес перетворення аналогової величини в цифрову. У основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування і кодування. Вони можуть здійснюватися або за допомогою послідовної, або паралельної, або послідовно-паралельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

Паралельні АЦП

АЦП цього типа здійснюють квантування сигналу одночасно з допомогою набору компараторів, включених паралель джерелу вхідного сигналу. На мал. 3 показана реалізація паралельного методу АЦ-перетворення для 3-розрядного числа.

Завдяки одночасній роботі компараторів паралельний АЦП є найшвидшим. Наприклад, восьмирозрядний перетворювач типа МАХ104 дозволяє одержати 1 млрд відліків в секунду при часі затримки проходження сигналу не більш 1,2 нс. Недоліком цієї схеми є висока складність. Дійсно, N-розрядний паралельний АЦП стримає 2N-1 компараторів і 2N узгоджених резисторів. Слідством цього є висока вартість (сотні доларів США) і значна споживана потужність. Той же МАХ104, наприклад, споживає близько 4 Вт.

Послідовно-паралельні АЦП

Послідовно-паралельні АЦП є компромісом між прагненням одержати високу швидкодію і бажанням зробити це по можливості меншою ціною. Послідовно-паралельні АЦП займають проміжне положення по роздільній здатності і швидкодії між паралельними АЦП і АЦП послідовного наближення. Послідовно-паралельні АЦП підрозділяють на багатоступінчаті, многотактниє і конвєєрниє.

Багатоступінчаті АЦП

У багатоступінчатому АЦП процес перетворення вхідного сигналу роздільний в просторі. Як приклад на мал. 4 представлена схема двухступенчатого 8-розрядного АЦП.

Грубо наближена і точна величини повинні, природно, відповідати одній і тій же вхідній напрузі Uвх(tj). Через наявність затримки сигналу в першому ступені виникає, проте, тимчасове запізнювання. Тому при використовуванні цього способу вхідну напругу необхідно підтримувати постійним за допомогою пристрою вибірки-зберігання до тих пір, поки не буде одержане все число.

Багатотактові послідовно-паралельні АЦП

Розглянемо приклад 8-розрядного послідовно-паралельного АЦП, що відноситься до типу многотактних (мал. 5). Тут процес перетворення розділений в часі.

Швидкодія розглянутого багатотактового АЦП визначається повним часом перетворення 4-розрядного АЦП, часом спрацьовування цифрових схем управління, часом встановлення ЦАП з погрішністю, що не перевищує 0,2...0,3 кванти 8-розрядного АЦП, причому час перетворення АЦП входить в загальний час перетворення двічі. В результаті за інших рівних умов перетворювач такого типу виявляється повільніше за двухступінчатого перетворювач, розглянутий вище. Проте він простіший і дешевше. По швидкодії багатотактові АЦП займають проміжне положення між багатоступінчатими АЦП і АЦП послідовного наближення. Прикладами багатотактових АЦП є тритактовий 12-розрядний AD7886 з часом перетворення 1 мкс, або тритактовий 16-розрядний AD1382 з часом перетворення 2 мкс.

Конвєєрні АЦП

Швидкодія багатоступінчатого АЦП можна підвищити, застосувавши конвєєрний принцип багатоступінчатої обробки вхідного сигналу. У звичайному багатоступінчатому АЦП (мал. 4) спочатку відбувається формування старших розрядів вихідного слова перетворювачем АЦП1, а потім йде період встановлення вихідного сигналу ЦАП. На цьому інтервалі АЦП2 простоює. На другому етапі під час перетворення залишку перетворювачем АЦП2 простоює АЦП1. Ввівши елементи затримки аналогового і цифрового сигналів між ступенями перетворювача, одержимо конвєєрний АЦП, схема 8-розрядного варіанту якого приведена на мал. 6.

Таким чином, конвєєрна архітектура дозволяє істотно (у декілька разів) підвищити максимальну частоту вибірок багатоступінчатого АЦП. Те, що при цьому зберігається сумарна затримка проходження сигналу, відповідна звичному багатоступінчатому АЦП з рівним числом ступенів, не має істотного значення, оскільки час подальшої цифрової обробки цих сигналів все одно багато разів перевершує цю затримку. За рахунок цього можна без програшу в швидкодії збільшити число ступенів АЦП, знизивши розрядність кожного ступеня. У свою чергу, збільшення числа ступенів перетворення зменшує складність АЦП.