Сд-04-15 Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигнала. Импульсно-кодовая модуляция (икм). Нелинейное квантование сигнала по уровню.

Аналого-цифровые преобразователи

Особенности построения и конструктивное исполнение аналого-цифровых преобразователей

По структуре построения аналого-цифровые преобразователи можно классифицировать на АЦП с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развертывающего типа. Развертывающий АЦП переводит аналоговый сигнал в цифровой последовательно, начиная с самого младшего значения до уровня, пока выходное аналоговое напряжение ЦАП не сравнится с входным аналоговым напряжением АЦП. К этому типу АЦП можно отнести АЦП последовательного приближения со счетчиком.

Параллельные АЦП построены на принципе одновременного преобразования сигнала пугем его квантования с помощью набора компараторов. Такие АЦП являются самыми быстродействующими и позволяют достичь частот преобразования 100—400 МГц. К недостаткам параллельных АЦП относится резкое увеличение числа компонентов при увеличении разрядности, что в свою очередь приводит к увеличению потребляемой мощности и размеров кристалла.

Параллельно-последовательные АЦП представляют собой комбинацию из малоразрядных параллельных АЦП,ЦАП, операционных усилителей (ОУ), устройств выборки-хранения (УВХ) и т.д. Принцип преобразования таких АЦП обычно сводится к двухступенчатому алгоритму — вначале производится определение старших разрядов значения входного напряжения с помощью первого малоразрядного параллельного АЦП, затем формируется разностный сигнал с помощью ЦАП и ОУ и осуществляется формирование младших разрядов с помощью второго малоразрядного параллельного АЦП. Такое построение позволяет уменьшить число элементов в преобразователе и получить высокую разрядность при частоте преобразования выше 10 МГц. Основными недостатками АЦП такого типа являются наличие большого числа линейных узлов, требования к точностным и динамическим характеристикам которых очень высоки, а также трудности, связанные с прецизионной стыковкой этих узлов друг с другом, что требует настройки каждого индивидуального преобразователя. По указанным причинам такие АЦП в полупроводниковом интегральном исполнении в настоящее время практически не выпускаются. Они изготавливаются в виде блоков, гибридных микросхем, печатных плат.

Рис.3. Обобщенная схема параллельного АЦП

В общем случае построение всех параллельных АЦП однотипно: делитель опорных напряжений, набор компараторов напряжения, шифратор, выходные каскады (рис. 3). Такой АЦП, без учета ряда погрешностей, работает следующим образом: входной сигнал подается одновременно на одни входы компараторов, в которых он сравнивается с опорными напряжениями, подаваемыми на другие входы компараторов от делителя опорных напряжений. В момент подачи на тактовый вход стробирующего сигнала на выходах компараторов фиксируется значение кода, соответствующее мгновенному значению входного сигнала. Далее результат кодирования с выходов компараторов подается на шифратор, в котором происходит преобразование в выбранный тип выходного кода АЦП. С выхода шифратора сформированный код подается на выходные каскады преобразователей внутрисхемных уровней в стандартные уровни ЭСЛ, ТТЛ или КМОП. В зависимости от конкретных реализаций АЦП может содержать различное число стробируемых блоков (штриховая линия на рис. 3).

Основным узлом параллельных АЦП являются компараторы напряжения. Как правило, в быстродействующих АЦП они выполняются стробируемыми, т. е. в состав компаратора входит устройство, переключающее компаратор из режима сравнения сигналов в режим хранения результата сравнения (стробирования). Особенностью стробируемых компараторов напряжения являются небольшой коэффициент усиления в режиме сравнения (единицы - десятки) и резкое его увеличение (в сотни раз) при стробировании, т. е. при переходе в режим хранения результата сравнения.

Такое построение позволяет получить большую полосу пропускания по аналоговому входу при большой его чувствительности. Компаратор, построенный по такому принципу, имеет весьма малое число компонентов, что принципиально важно для параллельных АЦП. Число компараторов в параллельном АЦП N_K=2^b-l.

Делитель опорных напряжений в параллельных АЦП служит для формирования опорных напряжений; их значения являются эталонами, с которыми сравнивается входнойисигнал. Обычно делитель выполняется по схеме последовательного делителя напряжений. Число резисторов в делителе напряжений параллельного АЦП Nr = 2^b. Номиналы резисторов делителя опорных напряжений одинаковы, за исключением первого и последнего резисторов, которые могут быть различны в конкретных реализациях АЦП. При этом получается линейная характеристика преобразования АЦП. Однако при Ь>8 для компенсации токовой составляющей нелинейности номинальные значения резисторов делителя опорных напряжений могут быть неодинаковы. Для уменьшения влияния входных токов компараторов на опорные напряжения необходимо использовать резисторы делителя с возможно меньшими номинальными значениями. В качестве материала для изготовления резисторов делителя в ИС используются разного рода сплавы металлов или низкоомные диффузионные области кремния. Конструктивно резисторы делителя опорных напряжений выполняются в виде прямоугольной конфигурации или конфигурации типа «меандр».

Шифратор в параллельных АЦП необходим для преобразования кода компараторов в выходной код АЦП заданного типа. Практически шифратор делается двух-трехступенчатым, что позволяет реализовать регулярность топологии. В состав шифратора могут входить регистры хранения, предназначенные для хранения промежуточных результатов шифрации. Выходные каскады АЦП служат для получения стандартных цифровых уровней (ЭСЛ или ТТЛ) выходного кода.

Параллельные АЦП имеют регулярную структуру кристалла, что позволяет упростить процесс проектирования и за счет равных длин межсоединений снизить статические и динамические погрешности АЦП. К конструктивным особенностям кристаллов следует отнести: расположение транзисторов дифференциальных каскадов компараторов в непосредственной близости друг к другу (для уменьшения напряжения смещения компараторов), группировку компараторов в линейки по 2", где п = 4, 5, 6... обеспечение равной длины проводников, по которым подводится тактовый сигнал к линейкам компараторов для обеспечения минимальной динамической погрешности при преобразовании сигналов с высокой скоростью изменения. Конструктивное исполнение АЦП определяется значительной рассеиваемой мощностью (до 3,0 Вт), что предъявляет определенные требования к конструкции корпусов. Используются преимущественно метатлокерамиче-ские корпуса, некоторые из них имеют дополнительный радиатор.

Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговыми преобразователями называют устройства, генерирующие выходную аналоговую величину, соответствующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя. Цифро-аналоговые преобразователи используются для согласования ЭВМ с аналоговыми устройствами, а также в качестве внутренних узлов в аналого-цифровых преобразователях и цифровых измерительных приборах. Цифро-аналоговое преобразование в данной работе заключается в суммировании эталонных величин, соответствующих разрядам входного кода. В основном применяются два метода цифро-аналогового преобразования: суммирование единичных эталонных величин и суммирование эталонных величин, вес которых отличается. В первом при формировании выходной аналоговой величины используется только одна эталонная величина весом в один квант. Во втором методе применяются эталонные величины с весами, зависящими от номера разряда, и в суммировании участвуют только те эталонные величины, для которых в соответствующем разряде входного кода имеется единица. При этом используется двоичный позиционный код или двоично-десятичный. В случае двоичного позиционного кода значения всех разрядов поступают одновременно на все входы ЦАП. Работа таких ЦАП описывается выражением:

где X - выходная аналоговая величина; aj - коэффициенты соответствующих двоичных разрядов, которые принимают дискретные значения единица или нуль; Р - опорный сигнал; b - число разрядов.

Опорным сигналом может служить напряжение постоянного или переменного тока. В преобразователях из опорного сигнала формируются эталонные величины, соответствующие значениям разрядов входного кода, которые суммируются и образуют дискретные значения выходной аналоговой величины.

Статические параметры ЦАП

В простейшем случае на входы ЦАП подается параллельный двоичный код, значения каждого разряда которого на входы поступают одновременно. Допустим, значения входного кода изменяются от минимального до максимального, при этом каждое значение входного кода преобразуется в дискретное значение выходной аналоговой величины. Дискретность изменения выходной аналоговой величины зависит от числа разрядов ЦАП, в то время как отклонение конкретного значения выходной аналоговой величины от номинального значения однозначно не зависит от числа разрядов, а определяется точностью изготовления элементов микросхем и может быть получено сколько угодно малым. Совокупность значений выходной аналоговой величины Xj в зависимости от значений входного кода а, называют характеристикой преобразования (ХП). Такая совокупность может быть приведена в виде графика, формулы или таблицы. Рассматриваемый ЦАП имеет линейную характеристику преобразования. В системе координат код - выходная аналоговая величина ХП изображается прямой, расположенной под некоторым углом к оси абсцисс (рис. 3). Когда необходимо определить некоторую точку на ХП, приводят значение кода, соответствующее этой точке. Иногда характеристику преобразования изображают ступенчатой линией, что подчеркивает дискретность изменения как значения кода, так и выходной аналоговой величины.

На ХП можно выделить характерные точки. Прежде всего это начальная и конечная точки ХП, которые определяются начальным и конечным значениями входного кода.

За начальное (конечное) значение входного кода принимают такое значение, при котором номинальное значение выходной аналоговой величины минимально (максимально). При этом начальной точкой ХП является точка пересечения координатных осей a_iy х„ т. е. точка, соответствующая нулевому значению выходной аналоговой величины при значении входного кода, равном нулю. При изменении значений входного кода а, от начального до конечного выходная аналоговая величина х, дискретно изменяется в некотором интервале. Интервал значений выходной аналоговой величины от начальной до конечной точки называют диапазоном выходной величины, а разность между максимальным и минимальным значениями этой величины - амплитудой ее изменения. Значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении значения входного кода на единицу называют ступенью квантования. В случае двоичного линейного ЦАП для номинальной характеристики все ступени равны

где х_тах, x_min - номинальное значение выходной аналоговой величины в конечной и начальной точках ХП; xorn - номинальная амплитуда изменения выходной аналоговой величины; b - число возможных значений кода.

Номинальное значение ступени квантования, представляющее наименьшее изменение выходной аналоговой величины, является разрешающей способностью преобразования. Разрешающая способность, как и ступень преобразования, выражается в единицах выходной аналоговой величины или в процентах от номинальной амплитуды изменения выходной аналоговой величины. Например, преобразователь на 12 цифровых входов, имеющий выходной сигнал в конечной точке ХП, равный 10 В, обладает разрешающей способностью 2,45 мВ, или 0,0245%.

Импульсно-кодовая модуляция

Импульсно-кодовая модуляция является наиболее распространенным методом цифрового преобразования аналоговых сигналов. При ИКМ, как и при других видах аналого-цифрового преобразования, .происходит дискретизация во времени передаваемого сиг­нала. Сформированные при дискретизации отсчеты преобразуются затем ,в группы кодовых символов. Если каждый символ, входя­щий в состав кодовой группы, может 'принимать любое из г зна­чений (0, 1, 2,...,r—1),а кодовая группа содержит п символов, то возможно формирование rⁿ различных кодовых групп, где r— основание кода, п — число разрядов.

Аналоговые сигналы .на входе цифровой системы передачи при­нимают любые значения в пределах заданного амплитудного ди­апазона. Используя n-разрядные кодовые группы, можно пере­дать информацию не более чем о г" различных значениях сигнала.. Поэтому при цифровой передаче происходит амплитудное квантование передаваемого сигнала. Таким образом, при импульсно-кодовой модуляции осуществляются три вида преобразований: дискретизация во времени исходного сигнала, квантование ампли­туд дискретных отсчетов сигнала и кодирование, т. е. формирова­ние кодовых групп, соответствующих квантованным значениям от­счетов. На рис. 2.1 показана структурная схема импульсно-кодового модулятора

Рис. 2.1. Структурная схема импульсн.о-кодового модулятора

На рис. 2.2 — временные диаграммы, иллюст­рирующие отдельные виды преобразований.

В реальных аналого-цифровых преобразователях квантование и кодирование, как правило, осуществляются .одновременно. Воз­можно также совмещение операций дискретизации и квантования. Известны аналого-цифровые преоб­разователи, в которых временная дискретизация производится после кван­тования и кодирования.

Временная дискрети­зация сигналов. Представ­ляет со'бой амплитудно-импульсную модуляцию аналогового сигнала. На рис. 2.3 и 2.4 показаны временные диаграммы и спектры, соответствующие различным способам фор­мирования отсчетов.

Рис 2.2. Временные диаграммы работы импульсно-кодового мо­дулятора: я) входной аналоговый сигнал;б) последовательность отсчетов; в) последовательность квантованных отсчетов; г) последовательность кодовых групп	Рис. 2.3. Амплитудно-импульсная модуляция первого рода: а) отсчеты аналогового сигнала; б) спектр последовательности отсчетов