16.3.4, Параметры ацп

К основным параметрам АЦП относятся [52]: динамический диапазон;

частота преобразования (дискретизации) Р_д (период днекрет'п зации — Г_д);

время преобразования; разрешающая способность; погрешность преобразования.

Динамический диапазон АЦП определяется отношением макси­мального сигнала к среднему квадратическому значению шумов квантования.

Для ндеалького т-разрядного АЦП с нормализованным к еди­нице максимальным значением динамический диапазон, выражен­ный в децибелах:

Из-за несовершенства отдельных элементов преобразователя, ухода параметров в зависимости от времени, температуры, неста­бильности источников питания и т. д. характеристики квантования реальных АЦП отличаются от идеальных, что является причиной появления дополнительных шумов. Если их выразить через шумы квантования, т. е. считать, что Одои = £окв (I > 0), то динамичес­кий диапазон реальных ЛЦП

Наличие дополнительных шумов приводит к потерям динамичес­кого диапазона. Например, при 1= 1, когда ст_Д1Ш = от, отноше­ние сигнал—шум на выходе реального АЦП уменьшается па 3 дБ.

При Сдоц = /2 Ока потери составляют 6 дБ, что практически озна­чает потерю младшего разряда. Отсюда следует, что если допол­нительные шумы имеют тот же порядок, что и шумы квантова­ния, то увеличивать разрядность АЦП бессмысленно. Это обуслов­ливает трудности создания многоразрядных АЦП, поскольку с уменьшением шумов квантования доля дополнительных шумов возрастает.

Частота преобразования (дискретизации) Р_д — это частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала. Она определяет требование к быстродействию АЦП и должна вы­ бираться в соответствии с соображениями, рассмотренными в 16.3,1... 21. Зак. 88. 831

Время преобразования i-щ, — это время от начала импульса дискретизации (качала преобразования) до появления на выходе АЦП устойчивого кода, соответствующего выборке входного сиг­нала. При работе бел устройств выборки и запоминания оно оп­ределяет достижимую частоту дискретизации.

Разрешающая способность— это способность АЦП различать два значения входного сигнала. Определяется количеством раз­личных кодовых комбинаций на выходе АЦП и выражается либо в битах (число разрядов), либо как динамический диапазон в де­цибелах.

Погрешность преобразования обусловлена эффектом квантова­ния и отличием реальной характеристики квантования от идеаль­ной. В качестве меры ее оценки может служить мощность шумов квантования реальных АЦП.

Следует отметить, что параметры АЦП взаимосвязаны друге другом и являются результатом компромисса между различными противоречивыми требованиями: точностью и быстродействием, точностью и сложностью, быстродействием и стоимостью. Этим объясняется и большое многообразие практических схем АЦП.

16.3.5. Типы ацп

По способу преобразовании выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты все АЦП могут быть сведены в три класса: последовательные, параллельные и последовательно-параллель­ные.

Принцип действия последовательных АЦП основан на процеду­ре последовательного приближения цифрового эквивалента к пре­образуемой величине, которая может быть реализовала с помощью единичных или двоично-взвешенньк приближений. Структурная

Рис. 16.6. Последовательный АЦП;

а -с единичными приближениями;

б — с поразрядным кодированием

Зону a

схема АЦП с единичными приближениями приведена иа рис. 16.6а. Принцип его работы состоит в¹ следующем. На входы компаратора К подается преобразуемый входной сигнал и напряжение обрат-

322

ной связи iioc с выхода цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 2, питаемого от источника опорного напряжения /. В случае, ког­да «в* > «ос, напряжение на выходе компаратора соответствует логической единице, а в случае a_BS. <L «ос —логическому нулю. С приходом импульса запуска схема управления 4 вырабатывает разрешающий сигнал на схему &, через которую из вход счет­чика 5 начинают поступать счетные импульсы с генератора 3. Число накопленных импульсов представляется в счетчике парал­лельным двоичным кодом. Последний с помощью ЦАП преобра­зуется в аналоговый сигнал и_ое, который подастся на вход компаратора. Преобразование длится до тех пор, пока этот сигнал сравняется, с входным сигналом. Далее компаратор срабатывает н прекращает поступление импульсов на счетчик. Одновременно выходной сигнал компаратора используется для считывания вы­ходного кода. Время преобразования п таком АЦП является пе­ременным и зависит от величины входного сигнала. Его масималь-ное значение (_щ„„_а1 = (2"¹ — 1) Т_1>ч, где Т_ач — период следования Учетных импульсов.

При ' большом числе разрядов быстродействие таких АЦП мало. Например, при m — 10 и Т_сч = 1 мке (f_n4 = 1 МГц) /_др = = 1 024 мке, что обеспечивает максимальную частоту дискретиза­ции ^дтах » 1 кГц.

При использовании ЛЦП с двоично-взвешенным приближени­ем (поразрядным кодированием) (рис. 16.65) быстродействие мо­жет быть существенно увеличено. В основу его работы положен принцип последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. от возможного ее максимального значения {принцип дихотомии). С приходом импульса запуска в генераторе одиночного импульса 2 вырабатывается сигнал, соответствующий единице, который записывается в старший разряд сдвигающего регистра 3, вследствие чего разрешается запись единицы в управ­ляющий триггер 4, соответствующий старшему разряду. Все ос­тальные триггеры находятся в нулевом состоянии. Таким образом, на вход ЦАП 5 поступает код 100... О, соответствующий числу '1^т-^Л или практически половине максимального значения. Если вы­ходное напряжение ЦАП u_in. > u_BS, то компаратор К срабатывает и импульсы с его выхода подаются на й-вход триггера, устанав­ливая последний в нулевое состояние. Если же «_U!; <Z «_Ex, то ам-пульс пс вырабатывается, и трип ер сохраняет единичное состоя­ние. С приходом следующего импульса с генератора импульсов сдвига 1 записывается единица й следующий триггер. В зависи-моети от исхода предыдущего сравнения па ЦАП поступает код 110 ...00 или 010... 00, и вновь с помощью компаратора проверяет­ся значение разряда (0 или 1) и т. д. Полное преобразование заканчивается, таким образом, за m сдвигов (итераций), а выиг­рыш в быстродействии по сравнена» с АЦП с единичными при-

323

ближениями равен примерно 2"'/ш. раз и достигает при /rcj^lO двух и более порядков. Частота дискретизации в АЦП с поразряд­ным кодированием составляет единицы мегагерц, что и определяет возможности их использования и устройствах цифровой обработки радиолокационных сигналов.

Принцип действия параллельных АЦП основан на одновремен­ном квантовании сигнала с помощью набора компараторов. Числе

компараторув выбирается равным 2^т— 1, а пороговые уровни уста-навлива ются с помощью резистив-ного делителя, подключенного к ис­точнику опорного напряжения, в со­ответствии с используемой шкалой квантования.

Структурная схема трехразряд­ного параллельного АЦП представ­лена на рис. 16.7. При подаче вход­ного сигнала срабатывают псе те компараторы, у которых порог мень­ше, чем входной сигнал. Получаю­щийся при этом унитарный код с помощью кодирующей логики пре­образуется В ДВОИЧНЫЙ.

Главным достоинством парал­лельных АЦП является их высокое быстродействие. Частоты преобра­зования достигают значений 100 ... - ²⁰° ^МГЧ [Щ- Однако их объем приблизительно удваивается с каж­дым новым разрядом. Поэтому раз­рядность таких АЦП обычно не превышает 8 ... 10.

Рис. 16.7. Трехразрядный парал­лельный ДЦП

Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение среди рассмотренных выше типов АЦП. Они имеют существенно меньший объем в сравнении с параллельными АЦП п лучшее быстродействие а сравнении с последовательными.

Учитывая то обстоятельство, что за Т_л необходимо осущест­вить обработку в одном элементе разрешения и что большее вре­мя уходит на выполнение арифметических операций, даже быстро­действующие АЦП должны включаться п видеотракт РЛС или, в исключительных случаях,— в тракт промежуточной частоты.

16.3.6. Цифровые коды, используемые в АЦП

В АЦП должны использоваться те же коды, что и в работаю­щем совместно с ним спецвычислителе системы обработки сигна­лов. В связи с этим наибольшее применение нашли различные представления двоичного кода: прямой, обратный и дополнитель­ный.

324

При представлении в прямом коде число имеет цифровые раз­ряды, определяющие его значение и старший знаковый разряд. Бели число положительное, то в знаковом разряде ставится нуль, у если отрицательное — единица.

Удобство такого представления состоит в том, что при умноже­нии звух чисел знак произведения можно определить, суммируя знаки сомножителей но правилам двоичной арифметики. В прямом коде просто выполняются операции умножения и деления чисел: Однако его недостатком является необходимость применения of-дельных устройств для выполнения операций сложения и вычита³ пня. Для прямого кода характерно также двойное представление пуля: положительный нуль представляется в виде + 0 — 0.00.:: ... 00, отрицательный нуль —0 = 1.00 ...00.

Обратный код имеет старший разряд Ь_п с отрицательным ве­сом, равным (—2" + 2-"¹).

Для положительных чисел Ь_к = 0, а для отрицательных Ь_п = = 1. Представление одного и того же положительного числа в прямом и обратном кодах совпадает. Отрицательные числа при представлении в обратном коде имеют в знаковом разряде едини­цу, а в цифровых - значения, обратные прямому коду.

Достоинством этого кода является возможность замены опера­ции вычитания двух положительных чисел в прямом коде их сло­жением в обратных кодах. Числа в обратный код также переводят­ся достаточно просто. Если отрицательное число хранится в ре­гистре, предетавлящем собой цепочку триггеров, то на одних вы­ходах триггеров фиксируется прямой код, а на других ■—обрат­ный. Недостаток обратного кода состоит в необходимости осущест­вления циклического перенося единицы из старшего разряда в младший, если она возникает при сложении двух чисел. Пуль в обратном коде также имеет двойное представление: положитель­ный нуль 0.00... 00 и отрицательный нуль 1.11 ... 11.

Дополнительный код также позволяет заменить операцию вы­читания двух положительных чисел операцией их сложения. Он имеет старший (знаковый) разряд Ь_п с отрицательным весом, рав­ным —2^п.

Для положительных чисел Ь_п = 0, и их представление в пря­мом и дополнительном кодах совпадает. Для отрицательных чи­сел Ь_п = 1. Для получения дополнительного кода необходимо к обратному коду прибавить единицу младшего разряда. При сло­жении двух чисел в дополнительном коде не требуется произво­дить операцию циклического переноса единицы в младший раз­ряд, что повышает быстродействие устройств, работающих в этом коде. Кроме того, нуль в дополнительном коде имеет единственное представление 0.00 ... 00. Указанные достоинства дополнительного кода предопределяют его преимущественное использование в уст­ройствах цифровой обработки.

325

Рассмотренные представления отрицательных чисел лежат в основе построения биполярных АЦП (рис. 16.8). В параллельном биполярном АЦП, работающем а прямот коде (рис. 16.8а), в зна­ковом компараторе КО положительным сигналам ставится и соот­ветствие пуль, отрицательным -единица.

Рис. 16 8. Биполярный АЦП: о — без ин­вертирования входного сигнал;!: б — с ин­вертированием входного сигнала

В создании значений цифровых разрядов принимают участке компараторы, помеченные для положительных чисел знаком + (плюс), для отрицательных — знаком — (минус).

Другой способ построения биполярных АЦП состоит в ис­пользовании униполярного АЦП совместно с инвертирующим усилителем (рис. 16.86). 15 таком ЛЦП знаковый компаратор управляет коммутатором, через который на вход АЦП проходи! либо прямой, либо инвертированный сигнал, имеющий одну поляр­ность. Униполярный преобразователь можно использовать для работы с биполярными входными сигналами, если к последним предварительно добавить постоянное положительное напряжение Но = Отаэх + Л. Тогда максимальный отрицательный сигнал будет соответствовать единице младшего разряда АЦП, т. е. представ­ляться в виде 00... 01. Тот же результат можно получить при ра­боте АЦП в так называемом смещенном двоичном коде, который образуется прибавлением числа 2" к прямому коду.

Не останавливаясь подробно па этом коде, отметим, что он ме­нее удобен для выполнения арифметических операций. Так, на­пример, сложение двух одинаковых по значению, но противопо­ложных по знаку величин в смещенных кодах приводит не к нуле­вому,- а к максимальному (по абсолютной величине) результату.

Между всеми кодовыми представлениями существуют взаимно однозначные соответствия. Это позволяет достаточно легко реалн-

32а

зовывать биполярные АЦП, работающие в любим из кодов: пря­мом, обратном, дополнительном и смещенном.

tfi-4. ОСОЬЕННОСГИ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ НЕКОГЕРЕНТНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ БИНАРНОМ КВАНТОВАНИИ