Схемотехника аналого-цифровых устройств. Цифроаналоговые преобразователи. Аналогово-цифровые преобразователи.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. Схемотехника цифроаналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. представлена общая классификация ЦАП способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.

Дальнейшую классификацию интегральных микросхем цифроаналоговых преобразователей можно провести по ряду специфических признаков, например:

· По роду выходного сигнала: преобразователи с токовым выходом или с выходом по напряжению;

· По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом или с параллельным вводом;

· По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;

· По быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия;

· По разрядности.

Важную часть цифроаналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму сигнала на выходе ЦАП. Так, в случае параллельного интерфейса неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода. Бывают ЦАП с последовательным и параллельным интерфейсом.

Схемы применения ЦАП относятся не только к области преобразования код – аналог. Пользуясь их свойствами, можно выполнять целый ряд преобразования аналоговых сигналов, в том числе их перемножение и деление, строить аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие, как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе генераторы сигналов произвольной формы.

Параметры ЦАП:

Статические параметры:

· Разрешающая способность – приращение Vout при преобразовании смежных значений Dj, т.е. отличающихся на один LSB. Это приращение является шагом квантования.

· Погрешность полной шкалы – разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

· Погрешность смещения нуля – значение Vout, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

· Нелинейность (интегральная нелинейность) – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования Vout(D) от оптимальной.

· Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение (с учётом знака) отклонения реальной характеристики преобразования Vout(D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому, смежному значению.

· Монотонность характеристики преобразования – возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП Vout при возрастании (уменьшеии) входного кода D.

· Температурная нестабильность ЦАП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы, нелинейности и погрешности смещения нуля.

· Точность воспроизведения сигналов переменного тока:

· Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SDFR) – это выраженное в дБ соотношение между среднеквадратическими значениями основной составляющей входного сигнала и максимальной паразитной составляющей входного сигнала и максимальной паразитной составляющей (максимальной гармоникой, или шумовой компонентой).

· Суммарный коэффициент гармоник (THD) – это отношение среднеквадратического значения суммы гармоник среднеквадратическому значению основной гармоники, выраженное в децибелах. Определяется по формуле

· Отношение сигнал/шум (SNR) – это отношение среднеквадратического значения входного сигнала к среднеквадратическому значению шума (который определяется как сумма всех остальных спектральных компонент, включая гармоники, но исключая постоянную составляющую) для входного сигнала на уровне – 1 дБ от полной шкалы.

· Динамические параметры:

· Время установления - интервал времени от момента изменения входного кода до момент, когда в последний раз выполняется равенство причём обычно d=1LSB.

· Частота обновления – максимальная частота, с которой может происходить смена содержимого входных регистров ЦАП.

· Скорость нарастания – максимальная скорость изменения Vout(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения ΔVout ко времени Δt, за которое произошло это приращение.

· Групповое время задержки. Число входных тактов синхронизации между цифровым импульсом, приложенным к входу устройства и токовым импульсом на выходе ЦАП.

· Полоса пропускания (для перемножения ЦАП и цифровых аттенюаторов). Диапазон частот, в котором любой сигнал, проложенный к аналоговому входу, проходит на выход ЦАП без ослабления.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые коды, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедура преобразования аналоговых сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени, описывающей исходный сигнал в последовательность цифровых кодов чисел, отнесённых к некоторым фиксированным моментам времени и соответствующих значению непрерывной функции в эти моменты. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции: дискретизация по времени и квантование по уровню.

Апертурная погрешность называют время, в течение которого сохраняется неопределённость между значением выборки и временем, к которому она относится.

Цифровое представление величин всегда дискретно, и число его возможных состояний определяется разрешающей способностью устройства. В результате близкие по величине, но всё же различные значения входного аналогового сигнала представляются одним и тем же цифровым кодом на выходе АЦП. При этом часть информации теряется. Эта потеря представляет собой ошибку (шум) квантования.

На рис. представлена классификация АЦП по методам преобразования.

Важную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приёмниками цифровых сигналов и правила (протокол) обмена данными. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приёмнику выходного кода, например, микропроцессору, микроконтроллеру или цифровому процессору сигналов. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП. Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями. Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессорами, называемое программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами:

· Проверка сигнала преобразования

· Простое прерывание

· Векторное прерывание

· Прямой доступ к памяти

Параметры АЦП:

Статические параметры:

· Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП.

· Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля:

· Погрешность смещения нуля – значение Vin, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

· Погрешности линейности

· Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Vin) от оптимальной.

· Монотонность характеристики преобразования – это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала.

· Температурная нестабильность АЦП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

· Динамические параметры:

· Максимальная частота дискретизации (преобразования) – это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы.

· Время преобразования – это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке.

· Время выборки (стробирования) – время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения.

· Параметры, характеризующие качество преобразования сигналов переменного тока:

· Отношение сигнал/шум (SNR) – это отношение среднеквадратического значения входного сигнала к среднеквадратическому значению шума, который определяется как сумма всех остальных спектральных компонент, исключая постоянную составляющую, для входного сигнала, имеющую уровень – 1 дБ от полной шкалы.

· Отношение сигнал/(шум + искажения) (SINAD) по смыслу мало отличается от рассмотренного выше отношения сигнал/шум за исключением добавленных искажений – важных при конструировании аудио- и радиотехники.

· Количество эффективных разрядов (ENOB). Если основным источником погрешности являются только собственные шумы АЦП, то количество эффективных разрядов N определяется

· Суммарный коэффициент гармоник (THD) – это отношение среднеквадратического значения суммы гармоник среднеквадратическому значению основной гармоники, выраженное в децибелах.

· Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SDFR) – это выраженное в дБ соотношение между среднеквадратическими значениями основной составляющей входного сигнала и максимальной паразитной составляющей входного сигнала и максимальной паразитной составляющей (максимальной гармоникой, или шумовой компонентой).

· Интермодуляционные искажения (IMD). Когда на вход АЦП подаётся сигнал, представляющий собой сумму двух синусоид с разными частотами, то вследствие нелинейности характеристики преобразования, в выходном коде будут присутствовать составляющие с суммарными и разностными частотами.