9.3. Последовательно – параллельный ацп
Недостаток параллельного АЦП состоит в том, что число компараторов экспоненциально возрастает с длиной слова. Для 8 – разрядного преобразователя требуется 255 компараторов, а для 10 – разрядного – 1024 компаратора. Уменьшить количество компараторов в АЦП можно за счет многоступенчатого преобразования. В качестве примера на рис.9.4 представлена схема двух ступенчатого 8 – разрядного АЦП.
В первом шаге верхним АЦП параллельно преобразуются четыре старших разряда кода. Результат представляет собой грубо квантованное значение входного напряжения. С помощью ЦАП образуется соответствующее аналоговое напряжение, которое вычитается из входного напряжения. Остаток преобразуется параллельно вторым АЦП. Таким образом формируются 4 младших разряда кода.
Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.
Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению Uвх(tj). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число. В последовательно - параллельных АЦП могут использоваться и другие процедуры управления. Так в многотактных последовательно - параллельных АЦП используется один параллельный АЦП с управляемым опорным напряжением. В АЦП конвейерного типа в фазе определения младших разрядов кода напряжения осуществляется определение старших разрядов нового напряжения. Для этого используется дополнительный УВХ для хранения остатка преобразуемого напряжения.
Примерами многотактных АЦП являются трехтактный 12-разрядный AD7886 со временем преобразования 1 мкс, или трехтактный 16-разрядный AD1382 со временем преобразования 2 мкс. Конвейерную архитектуру имеет большое количество выпускаемых в настоящее время многоступенчатых АЦП. В частности, 2-ступенчатый 10-разрядный AD9040А, выполняющий до 40 млн. преобразований в секунду (МПс), 4-ступенчатый 12-разрядный AD9220 (10 МПс), потребляющий всего 250 мВт, и др. При выборе конвейерного АЦП следует иметь в виду, что многие из них не допускают работу с низкой частотой выборок. Например, изготовитель не рекомендует работу ИМС AD9040А с частотой преобразований менее 10 МПс, 3-ступенчатого 12-разрядного AD9022 с частотой менее 2 МПс и т.д. Это вызвано тем, что внутренние УВХ имеют довольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования.
9.4. Ацп последовательного приближения
В
основе работы этого класса преобразователей
лежит принцип последовательного
приближения или компенсации входного
напряжения. Структурная схема такого
преобразователя показана на рис.9.5. С
помощью компаратораkвходное напряжение сравнивается с
компенсирующим напряжением, поступающим
с ЦАП. В зависимости от результата
сравнения устройство управления в
каждом такте устанавливает или сбрасывает
соответствующие разряды регистра. Время
преобразования осуществляется заNтактов, гдеN– количество
разрядов регистра.
Преобразование начинается с установки в 1 старшего разряда регистра. Это соответствует напряжению ЦАП, равному 1/2Uоп. Напряжение с ЦАП сравнивается с входным напряжением. Если входное напряжение больше компенсационного напряжения, поступающего с ЦАП, то на выходе компаратора устанавливается 1. Устройство управления сохраняет единицу в старшем разряде и устанавливает 1 в следующем разряде. На выходе ЦАП формируется напряжение равное 1/2Uоп + 1/4Uоп. Если же входное напряжение меньше компенсационного напряжения, то единица в старшем разряде сбрасывается и устанавливается 1 в следующем разряде. На выходе ЦАП формируется напряжение - 1/4Uоп. И процесс продолжается до тех пор, пока не будут перебраны все разряды регистра. ЧерезNтактов в регистре получится двоичное число, соответствующее входному напряжению.