Обзор Части 13



==985

В пунктах @A - @I приводится краткое изложение базовых принципов, фактов и советов по использованию, которые изучались в Части 13 .

@A Характеристики ЦАПов и АЦП

ЦАПы и АЦП преобразуют аналоговые сигналы в цифровые и обратно. Они подробно рассматриваются в этой части, разбирается их внутреннее устройство, параметры и примеры использования. Основные параметры АЦП включают разрешение ( число разрядов ), точность ( линейность, монотонность, стабильность, ENOB ¹⁴³ и динамический диапазон ), скорость ( латентность и время преобразования ), входной диапазон, выходной формат ( последовательный I2C или SPI либо параллельный ), опорное напряжение ( внутреннее или внешнее ), тип корпуса и дополнительные возможности, например, наличие входного буфера с программируемым усилением. Основные параметры ЦАПов те же, плюс тип выходного каскада ( выход по напряжению или по току ), энергия помех при переключении и дополнительные возможности, например, умножающая архитектура или внутренняя схема масштабирования.

@B Типы ЦАПов

Выбор преобразователя для конкретной задачи должен опираться на параметры микросхемы ( @A ), а не на используемый в ней метод преобразования. Но знать внутреннее устройство надо, чтобы учесть известные особенности архитектуры.

ЦАПы на цепочке резисторов

Это самая простая схема ( §13.2.1 ). Схема состоит из цепочки резисторов, источника опорного напряжения и набора МОП ключей, которые передают на выход потенциал из узла цепочки, обозначенного входным цифровым n-разрядным кодом. Такие ЦАПы недороги и имеют разрядность 8...16 бит. Выход строго монотонный, что весьма полезно для управляющих схем с обратной связью.

ЦАПы на R-2R делителях

Эта популярная архитектура ( §13.2.2 ) использует свойства делителя R-2R ( рис. 13.5 ). При такой схеме для построения n-разрядного преобразователя требуется 2n резисторов и ключей, в отличие от варианта на цепочке, которая имеет длину 2ⁿ . Микросхемы получаются дешёвыми, но не обладают естественной монотонностью ( хотя многие конкретные модели её гарантируют ). Зато их интегральная нелинейность лучше, чем у цепочки резисторов, поэтому такие ЦАПы удобнее для задач, где требуются точные выходные напряжения.

ЦАПы на переключаемых токах

В отличие от ИМС, управляемых по напряжению ( цепочка резисторов и R-2R делитель ), ЦАП на переключаемых токах ( §13.2.3 ) имеет большее быстродействие и допускает простое комбинирование выходов. В этой схеме задействован массив из n ключей, который переключает взвешенные токи ( рис. 13.6 ). Такие ЦАПы шустры до безобразия, но их токовый выход создаёт некоторые сложности. Если для получения выходного напряжения взять трансрезистивный усилитель, он начнёт ограничивать динамические параметры ( скорость и время установления ). Лучше всего такой ЦАП сочетается с нагрузкой, принимающей ток, например, простой 50- или 75-омный резистор как в радиочастотных и видеоустройствах.
Предупреждение: стабильность и начальная точность преобразователей на преключаемых токах может быть весьма плохой и требует обязательного использования внутреннего согласованного резистора обратной связи, см. предупреждение в §13.2.5 и правильную схему включения на рис. 13.9 .

Сигма-дельта ЦАПы

Эта техника ( §13.9 и §13.9.8 ) иногда называется «1-разрядное преобразование». Речь идёт о двухстадийном процессе, в котором сначала в интегрирующем цифровом модуляторе создают битовый поток, а затем пропускают его через фильтр нижних частот, чтобы получить аналоговое выходное напряжение, см. блок-схему на рис. 13.50 . Этот метод очень популярен в области профессиональной звукотехники, потому что таким способом можно создавать сигнал с высоким разрешением и непревзойдённой линейностью, например 20 разрядов на скорости 192 ksps . Сигма-дельта преобразование популярно и в аналогово-цифровых преобразователях, в том числе в профессиональном аудио, см. популярную микросхему CS5381 - сдвоенный АЦП, 24 разряда, 192 ksps ( §13.9.11.D ).

Умножающие ЦАПы

Умножающие преобразователи ( §13.2.4 ) позволяют изменять величину опорного напряжения \( V_{REF}\) . Спецификация оговаривает диапазон изменения ( обычно от –15 V до +15 V ) и рабочую полосу сигнала ( обычно мегагерцы или более ). С помощью умножающих ЦАПов можно выполнять цифровую регулировку амплитуды внешнего сигнала, если он не выходит за рабочую частоту преобразователя, и логометрические измерения с использованием произвольного опорного напряжения.
Предупреждение: емкостная связь между входом и выходом в матрице преобразования серьёзно ограничивает рабочую полосу в области малых цифровых кодов, см. рис. 13.7 .

Широтно-импульсная модуляция и преобразование частота-напряжение

При работе с медленной нагрузкой, например нагревателем, удобной формой цифро-аналогового преобразования становится ШИМ ( §13.2.8 ). Аналогичная техника используется в преобразователях частота-напряжение и прореживателях импульсов ( §13.2.9 и §13.2.10 ).

@C Примеры использования ЦАПов

Устройства, использующие цифро-аналоговые преобразования укрывают в деталях реализации целое стадо дьяволов. В этой части исследуются четыре рабочих прибора, и выявляется их сатанинская сложность.

1. Четырёхканальный лабораторный источник напряжения ( §13.3.1 ) поясняет особенности точных и стабильных малошумящих схем, где внешний преобразователь ток-напряжение обеспечивает очень гибкую настройку диапазона выходного напряжения.



==986

2. Простой 8-канальный источник ( §13.3.2 ) легко делается на интегральном ЦАПе с выходом по напряжению LTC2656. У него меньше гибкости в настройках выходного каскада и чуть хуже шум и стабильность.
3. Биполярный источник тока наноамперного диапазона с широким диапазоном допустимых рабочих напряжений ( §13.3.3 ) с хитрой схемой, которая способна принимать и отдавать наноамперные токи в диапазоне ±10 V . Здесь же дополнительно обсуждаются общие вопросы, касающиеся плавающих источников тока.
4. Точный биполярный драйвер для катушки индуктивности ( §13.3.4 ) показывает, как можно преодолеть технические ограничения по разрешению ( 20 разрядов, т.е. одна часть на миллион ) управляя шумом и устойчивостью. Пример содержит подробный разбор требований к усилителю и опорному источнику, а также темы обратной связи и её коррекции.

@D Выбор ЦАПа

При высоких требованиях к линейности лучшим выбором будут сигма-дельта ЦАПы, которые могут обеспечить точность и линейность 20 разрядов на звуковых частотах. Кроме того, иногда они имеют и отличные параметры на постоянном токе ( см., например, DAC1220 фирмы TI ). Но стоит обратить внимание на широкополосный шум и помехи от тактового сигнала ( указанный DAC1220 имеет ∼1000 nV/\(\sqrt{Hz}\) на 1 kHz , а ЦАП на резисторном делителе - 10 nV/\(\sqrt{Hz}\) ) .

Среднюю точность на умеренных скоростях даёт множество отличных линейных и R-2R преобразователей. Например, DAC8552 фирмы TI ( сдвоенный, 16 разрядов, последовательный вход, выход по напряжению, внешняя опора, очень малая энергия переключательной помехи и время установления 10 μs ). Такие же параметры, но с внутренней опорой имеют DAC8560/4/5. ADI предлагает AD5544 ( счетверённый, 16 разрядов, умножающий, с последовательным входом, токовым выходом и временем установления с внешним ОУ за время порядка 0.5—2.0 μs ). Аналогичные параметры у DAC8814 от TI. Есть LTC1668 фирмы LTC/ADI ( 16 разрядов, параллельный вход, дифференциальный токовый выход, время установления сигнала на 50-омном резисторе в качестве «выхода по напряжению» 20 ns ). И, наконец, DAC1881 фирмы TI ( 18 разрядов, последовательный вход, RR выход по напряжению, внешняя опора, низкий шум и 5 μs времени установления ).

На высоких скоростях правят бал преобразователи с переключением токов, например, DAC5681/2 ( 16 разрядов, 1 Gsps ) или AD9739 от ADI ( 14 разрядов, 2.5 Gsps ).

@E Типы АЦП

Как и в случае ЦАПов выбор аналого-цифрового преобразователя должен опираться в первую очередь на требуемые параметры ( @A ), а не на метод преобразования. Но как и в случае ЦАПов знать внутреннее устройство нужно, чтобы не напороться на какую-либо техническую особенность, способную доставить неприятности.

«Флэш» или параллельные

Это самый простой [* для понимания ] метод преобразования ( §13.6 ). Аналоговое входное напряжение сравнивается с набором опорных уровней с помощью массива из 2ⁿ компараторов, которые дают n-разрядный результат. Данный тип преобразователей достигает разрешения 8 разрядов и скорости 20 Gsps ( не одновременно ). Вариантами данной схемы являются конвейерная и многодиапазонная архитектуры. Преобразование в них проходит в несколько этапов, каждый из которых уточняет «остаток» от предыдущего более грубого шага. Такие АЦП достигают 16-разрядных разрешений и скорости в несколько Gsps ( опять же, не одновременно ). Такая схема преобразования имеет латентность, которая может достигать 20 тактов.

Последовательного приближения

В этом методе ( §13.7 ) последовательные промежуточные коды от внутренней схемы преобразуются в напряжение вспомогательным ЦАПом и сравниваются со входным напряжением. n-разрядное преобразование требует n последовательных шагов. Внутренний ЦАП может быть выполнен как n-стадийный R-2R делитель или как 2ⁿ конденсаторов с номиналами, пропорциональными степени двойки. Последний вариант называется ЦАПом с перераспределением заряда. АЦП последовательного приближения занимают промежуточное положение по скорости и точности: параллельные преобразователи быстрее, а сигма-дельта - точнее. Входной сигнал должен быть стабилен в ходе преобразования, что требует какой-либо схемы выборки-хранения. АЦП последовательного приближения могут иметь пропущенные коды.

Преобразователи напряжение-частота

Этот метод ( §13.8.1 ) создаёт непрерывный поток импульсов постоянной формы, частота следования которых точно соответствует входному аналоговому напряжению. В асинхронных преобразователях генератор внутренний и работает непрерывно. Синхронные варианты требуют источника внешнего тактирования и пропускают на выход часть входных тактовых импульсов, которая в среднем пропорциональна входному напряжению. Преобразователи напряжение-частота удобны для контроля усредняющих нагрузок ( типа нагревателей ), но они редко упоминаются в списках АЦП. Такие схемы правильнее рассматривать как некое примитивное подобие сигма-дельта преобразователей.

Интегрирующие АЦП однократного преобразования

Такие схемы ( §13.8.2 ) имеют внутри генератор линейно возрастающего напряжения ( конденсатор, заряжаемый постоянным током ), которое увеличивается от нуля и до уровня входного напряжения. Время, в течение которого протекает данный процесс, подсчитывается с помощью быстрого и стабильного тактового генератора. Число импульсов ( время ) пропорционально входному аналоговому напряжению. Однократное интегрирование - не особо точный метод. Он проигрывает двойному и многократному интегрированию и используется в амплитудном анализе, где проводится измерение высоты импульсов и требуется высокая скорость преобразования и монотонность выходных кодов. Этот же метод используется для обратной операции - преобразования времени в амплитуду .



==987

Двойное и многократное интегрирование

Варианты метода однократного интегрирования ( §13.8.3 , §13.8.4 и §13.8.6 ). В них успешно подавляется ошибка от смещения компаратора и от нестабильности компонентов схемы. При двойном интегрировании конденсатор сначала заряжается за фиксированное время током, пропорциональным входному сигналу, а затем разряжается до исходного потенциала фиксированным током. Время разряда пропорционально входному аналоговому напряжению. В технике четырёхкратного интегрирования входное напряжение в течение второго цикла преобразования удерживается в нуле, превращая второй цикл в «автокалибровку нуля». В многократном интегрировании входной сигнал измеряется повторяющимися быстрыми циклами двойного интегрирования ( заряд-разряд ), а итоговая коррекция результата проводится по зарядам в начале и в конце цикла измерения. По некоторым параметрам эта техника тесно примыкает к сигма-дельта преобразованию. Многократное интегрирование идеально подходит для измерительных приборов с медленными ( миллисекундными ) измерениями с высоким разрешением 20...28 разрядов ).

Сигма-дельта АЦП

Здесь модулятор ( §13.9 ) преобразует передискретизированное аналоговое входное напряжение в последовательный поток битов. Этот поток проходит через фильтр нижних частот, превращаясь в n-разрядный выходной код. В самой простой форме модулятор состоит из интегратора, который старается сгладить разницу между аналоговым входным напряжением и значением 1-битного выходного потока, выдавая тем самым очередной бит. Существуют варианты схемы, включающие модуляторы более высоких порядков ( цепочка из таких взвешивающих интеграторов ), или работающие с потоками многобитных слов, или делающие это всё одновременно. Сигма-дельта АЦП обеспечивают великолепное разрешение ( до 24 разрядов ) и скорости преобразования до нескольких мегавыборок в секунду и очень популярны у разработчиков профессиональной звуковой аппаратуры.

@F Примеры схем с АЦП

В этой части разбираются и несколько примеров применения аналого-цифровых преобразователей.

1. Быстрый параллельный АЦП ( §13.6.2 ) с дифференциальным предусилителем иллюстрирует особенности входных фильтров и проблемы получения тактовых сигналов с малым джиттером.
2. Стабильный малошумящий 18-разрядный преобразователь последовательного приближения со скоростью 2 Msps ( §13.7.3 ) объясняет важность входных цепей для достижения низкого шума и малого дрейфа.
3. Три примера сигма-дельта АЦП ( рис. 13.66 , 13.67 и 13.68 ). Многоканальная мультиплексированная схема с широким входным диапазоном ( ±10 V ) и хорошей точностью ( 18 разрядов ). Типовой промышленный 24-разрядный ΣΔ конвертор с малым шумом, дрейфом и отличной линейностью. И пример преобразования звуковых сигналов, где точность на постоянном токе и латентность не важны, но требуется высокая степень согласования каналов и соответствие форматам последовательной передачи звуковых данных.

Здесь же описываются некоторые необычные АЦП и ЦАПы ( §13.11 ) и системы сбора данных с их использованием ( §13.12 ): мультиплексированная 16-канальная ( §13.12.1 ), параллельная многоканальная на АЦП последовательного приближения ( §13.12.2 ) и на сигма-дельта АЦП ( §13.12.3 ). Для большей наглядности два последних примера включают как внешние схемы переключения каналов, так и однокристальные решения.

@G Выбор АЦП

Для медленных ( до единиц ksps ) и точных ( 24 разряда и более ) задач лучше всего подходят интегрирующие преобразователи двойного и многократного преобразования. Здесь же могут работать некоторые сигма-дельта модели, которые можно рассматривать как вариацию на тему интегрирования.

Средние скорости ( но нескольких Msps ) закрывают сигма-дельта и АЦП последовательного приближения. На таких скоростях возможна точность 20 разрядов и более. Сигма-дельта преобразователи имеют заметно большую латентность.

На высоких скоростях ( сотни Msps ) работают конвейерные параллельные преобразователи, но не стоит забывать их высокую латентность. Ещё большие скорости ( > 250 Msps ) позволяют получить некоторые многодиапазонные параллельные АЦП, которые дают 8...12 разрядов на скоростях до 3 Gsps . Простые параллельные схемы работают быстрее всего, но имеют весьма скромное разрешение, например, HMCAD5831 фирмы Analog Devices: 3 разряда 20 Gsps .

@H Фазовая автоподстройка

Далее следует очень важная разновидность схем смешанных сигналов - фазовая автоподстройка частоты ( §13.13 ). В них обратная связь заставляет сигнал с управляемого напряжением генератора работать синхронно с внешней опорной частотой. Схемы PLL включают умножение частот и синтез произвольной частоты, генерацию и восстановление тактовых импульсов и демодуляцию AM/FM сигналов. Кроме управляемого напряжением генератора, PLL содержит фазовый детектор и петлевой фильтр ( рис. 13.85 ).

Фазовый детектор

сравнивает фазы двух сигналов - выхода VCO и входной частоты - и выдаёт сигнал, пропорциональный разности их фаз. Самым простым фазовым детектором является тип I, который просто перемножает входные частоты. Он подходит и для аналоговых, и для цифровых сигналов, причём для последних вырождается в простой вентиль «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ» ( рис. 13.86 ). Детектор типа II выдаёт последовательность импульсов, которая пропорциональна времени между фронтами двух входных сигналов ( рис. 13.87 ). Работает такая схема только для цифровых сигналов. Тип II способен захватывать сигналы с нулевой разницей фаз и не имеет колебаний выходной частоты, но зато гораздо чувствительнее к джиттеру входных сигналов, нежели тип I.



==988

Петлевой фильтр

сглаживает выход фазового детектора с некоторой постоянной времени, которая определяет скорость реакции PLL. Эта скорость должна быть меньше, чем сравниваемые частоты, но достаточно высокой, чтобы отслеживать изменения входной частоты, что является основной задачей PLL. Чтобы было понятно, для получения малошумящей копии зашумлённого входного сигнала со стабильной частотой, скорость реакции должна быть ниже ( постоянная времени больше ), а если надо работать с меняющимся по частоте сигналом, скажем, при восстановлении данных с магнитной ленты, надо иметь достаточно высокую скорость реакции.
Предупреждение: PLL имеет конструктивную задержку фазы, т.е. измерение фазы используется для подстройки частоты, а фаза - это интеграл частоты. Поэтому простой фильтр нижних частот, который даёт дополнительные 90° к задержке фазы, вызывает неустойчивость петли автоподстройки. Решить проблему можно, уменьшив наклон графика усиления ( его спада ) с обратной связью вблизи пересечения с осью 0 dB ( уровнем единичного усиления ), т.е. добавить «нуль» в терминах S-анализа, см. Часть X1 [* ##§X1.5 ] , и рис. 13.98 .

Процесс расчёта петлевого усиления описан в §13.13.3 , а с примером использования PLL в синтезе частот, аналоговой и цифровой демодуляции, синхронизации лазерных импульсов можно ознакомиться в §13.13.6 .

@I Псевдослучайный цифровой шум

Данная часть завершается увлекательной темой генерации предсказуемых псевдослучайных битовых последовательностей с помощью сдвиговых регистров с линейными обратными связями . Такие последовательности находят применение в тестировании каналов связи ( глазковых диаграмм, см. пример на рис. 12.131 ) и системах связи с размазанным спектром ( например, навигационном сигнале GPS ). И, кроме того, это просто интересно. Исходная техника, описанная в §11.3 , использует тактируемый сдвиговый регистр. Ему на вход поступает сигнал с элемента XOR, который складывает два или более бита с особым образом выбираемых выходов регистра ( рис. 13.111 ).

В Части 11 показано, как делать PRBS на программируемой логике, в виде программы на микроконтроллере или даже на россыпи логических элементов ( 74HC7731, 74HC164 и 74HC86 с тактовым сигналом 25 MHz позволяют создать последовательность с периодом повторения 10⁶² лет, что в 10⁵² раз больше, чем возраст вселенной ). Чтобы превратить PRBS в аналоговый шум, выходной сигнал с такого сдвигового регистра можно отфильтровать, см. источник разноцветного шума на рис. 8.93 и схему с гибридным аналогово-цифровым фильтром на рис. 13.119 .

Псевдослучайный шум не является по-настоящему случайным, хотя его статистические свойства сильно напоминают таковой и способны пройти специальные тесты ( §13.14.6 ), что позволяет использовать такие последовательности в некоторых приложениях. Настоящий случайный шум можно получить, используя в качестве источника какой-либо физический процесс, например, бета-распад радиоактивных изотопов. Несколько более удобна схема, работающая на тепловом шуме резистора или шуме лавинного пробоя в полупроводниковом переходе, см. пример в §13.14.7 .



==988