Ацп что это

29.08.202228.08.2022 admin 0 Комментариев

Ацп что это

Как работают аналого-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП?

Вольфганг Райс (Wolfgang Reis, WBC GmbH)
Журнал «Компоненты и технологии», № 3’2005

В статье рассказывается об устройстве и принципах действия аналогово-цифровых преобразователей различных типов, а также об их основных характеристиках, указываемых производителями в документации.

Существует несколько основных типов архитектуры АЦП, хотя в пределах каждого типа существует также множество вариаций. Различные типы измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения. Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами. В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Существуют также параллельные АЦП для приложений, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением.

На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.

Параллельные АЦП

Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5Г (5*10 9 ) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии.

АЦП последовательного приближения

Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х10 3 ) до 1М (1х10 6 ) отсчетов/сек.

Рис. 3 показывает упрощенную блок-схему АЦП последовательного приближения. В основе АЦП данного типа лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования все выходы этого регистра устанавливаются в логический 0, за исключением первого (старшего) разряда. Это формирует на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП. А выход компаратора переключается в состояние, определяющее разницу между сигналом на выходе ЦАП и измеряемым входным напряжением.

Например, для 8-разрядного АЦП последовательного приближения (рис. 4) выходы регистра при этом устанавливаются в «10000000». Если входное напряжение меньше половины входного диапазона АЦП, тогда выход компаратора примет значение логического 0. Это дает регистру последовательного приближения команду переключить свои выходы в состояние «01000000», что соответственно приведет к изменению выходного напряжения с ЦАП, подаваемого на компаратор. Если при этом выход компаратора по-прежнему оставался бы в «0», то выходы регистра переключились бы в состояние «00100000». Но на этом такте преобразования выходное напряжение ЦАП меньше, чем входное напряжение (рис. 4), и компаратор переключается в состояние логической 1. Это предписывает регистру последовательного приближения сохранить «1» во втором разряде и подать «1» на третий разряд. Описанный алгоритм работы затем вновь повторяется до последнего разряда. Таким образом, АЦП последовательного приближения требуется один внутренний такт преобразования для каждого разряда, или N тактов для N-разрядного преобразования.

Тем не менее, работа АЦП последовательного приближения имеет особенность, связанную с переходными процессами во внутреннем ЦАП. Теоретически, напряжение на выходе ЦАП для каждого из N внутренних тактов преобразования должно устанавливаться за одинаковый промежуток времени. Но на самом деле этот промежуток в первых тактах значительно больше, чем в последних. Поэтому время преобразования 16-разрядного АЦП последовательного приближения более, чем в два раза превышает время преобразования 8-разрядного АЦП данного типа.

Сигма-дельта АЦП

Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую даёт АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую способность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преобразования. Так, в сигма-дельта АЦП при 16 разрядах можно получить частоту дискретизации до 100К отсчетов/сек, а при 24 разрядах эта частота падает до 1К отсчетов/сек и менее, в зависимости от устройства.

Обычно сигма-дельта АЦП применяются в разнообразных системах сбора данных и в измерительном оборудовании (измерение давления, температуры, веса и т.п.), когда не требуется высокая частота дискретизации и необходимо разрешение более 16 разрядов.

Принцип работы сигма-дельта АЦП сложнее для понимания. Эта архитектура относится к классу интегрирующих АЦП. Но основная особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что частота следования выборок, при которых собственно и происходит анализ уровня напряжения измеряемого сигнала, существенно превышает частоту появления отсчетов на выходе АЦП (частоту дискретизации). Эта частота следования выборок называется частотой передискретизации. Так, сигма-дельта АЦП со скоростью преобразования 100К отсчетов/сек, в котором используется частота передискретизации в 128 раз больше, будет производить выборку значений входного аналогового сигнала с частотой 12.8М отсчетов/сек.

Блок-схема сигма-дельта АЦП первого порядка приведена на рис. 5. Аналоговый сигнал подается на интегратор, выходы которого подсоединены к компаратору, который в свою очередь присоединен к 1-разрядному ЦАП в петле обратной связи. Путем серии последовательных итераций интегратор, компаратор, ЦАП и сумматор дают поток последовательных битов, в котором содержится информация о величине входного напряжения.

Так как внутренний цифровой ФНЧ в сигма-дельта АЦП представляет собой неотъемлемую часть для осуществления процесса преобразования, время установления ФНЧ становится фактором, который необходимо учитывать при скачкообразном изменении входного сигнала. Например, при переключении входного мультиплексора или при переключении предела измерения прибора необходимо подождать, пока пройдут несколько отсчетов АЦП, и лишь потом считывать корректные выходные данные.

Дополнительным и очень важным достоинством сигма-дельта АЦП является то, что все его внутренние узлы могут быть выполнены интегральным способом на площади одного кремниевого кристалла. Это заметно снижает стоимость конечных устройств и повышает стабильность характеристик АЦП.

Интегрирующие АЦП

На рисунке 6 показан принцип работы АЦП двухтактного интегрирования. Входной сигнал заряжает конденсатор в течение фиксированного периода времени, который обычно составляет один период частоты питающей сети (50 или 60Гц) или кратен ему. При интегрировании входного сигнала в течение промежутка времени такой длительности высокочастотные помехи подавляются. Одновременно исключается влияние нестабильности напряжения сетевого источника питания на точность преобразования. Это происходит потому, что значение интеграла от синусоидального сигнала равно нулю, если интегрирование осуществляется во временном интервале, кратном периоду изменения синусоиды.

По окончании времени заряда АЦП разряжает конденсатор с фиксированной скоростью, в то время как внутренний счетчик подсчитывает количество тактовых импульсов за время разряда конденсатора. Большее время разряда, таким образом, соответствует большему значению показаний счетчика и большему измеряемому напряжению (рис.6).

Спецификация АЦП

Существуют общие определения, которые принято использовать в отношении аналого-цифровых преобразователей. Тем не менее, характеристики, приводимые в технической документации производителей АЦП, могут показаться довольно путаными. Правильный же выбор оптимального по сочетанию своих характеристик АЦП для конкретного приложения требует точной интерпретации данных, приводимых в технической документации.

Наиболее часто путаемыми параметрами являются разрешающая способность и точность, хотя эти две характеристики реального АЦП крайне слабо связаны между собой. Разрешение не идентично точности, 12-разрядный АЦП может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. Для АЦП разрешение представляет собой меру того, на какое количество сегментов может быть поделен входной диапазон измеряемого аналогового сигнала (например, для 8-разрядного АЦП это 2 8 =256 сегментов). Точность же характеризует суммарное отклонение результата преобразования от своего идеального значения для данного входного напряжения. То есть, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности АЦП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности.

АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой код. Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. При этом именно конечное приложение определяет, какие характеристики АЦП будут считаться определяющими, самыми важными в каждом конкретном случае.

Статическая погрешность

В большинстве применений АЦП используют для измерения медленно изменяющегося, низкочастотного сигнала (например, от датчика температуры, давления, от тензодатчика и т.п.), когда входное напряжение пропорционально относительно постоянной физической величине. Здесь основную роль играет статическая погрешность измерения. В спецификации АЦП этот тип погрешности определяют аддитивная погрешность (Offset), мультипликативная погрешность (Full-Scale), дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL) и погрешность квантования. Эти пять характеристик позволяют полностью описать статическую погрешность АЦП.

Идеальная передаточная характеристика АЦП

Из-за технологического разброса параметров при изготовлении интегральных микросхем реальные АЦП не имеют идеальной передаточной характеристики. Отклонения от идеальной передаточной характеристики определяют статическую погрешность АЦП и приводятся в технической документации.

Аддитивная погрешность

Идеальная передаточная характеристика АЦП пересекает начало координат, а первый переход кода происходит при достижении значения 1 LSB. Аддитивная погрешность (погрешность смещения) может быть определена как смещение всей передаточной характеристики влево или вправо относительно оси входного напряжения, как показано на рис.9. Таким образом, в определение аддитивной погрешности АЦП намеренно включено смещение 1/2 LSB.

Мультипликативная погрешность

Мультипликативная погрешность (погрешность полной шкалы) представляет собой разность между идеальной и реальной передаточными характеристиками в точке максимального выходного значения при условии нулевой аддитивной погрешности (смещение отсутствует). Это проявляется как изменение наклона передаточной функции, что иллюстрирует рис. 10.

У идеальной передаточной характеристики АЦП ширина каждой «ступеньки» должна быть одинакова. Разница в длине горизонтальных отрезков этой кусочно-линейной функции из 2 N «ступеней» представляет собой дифференциальную нелинейность (DNL).

Интегральная нелинейность

Погрешность квантования

Динамические характеристики

Динамические характеристики АЦП обычно определяют с помощью спектрального анализа, по результатам выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ) над массивом выходных значений АЦП, соответствующих некоторому тестовому входному сигналу.

На рис. 13 представлен пример частотного спектра измеряемого сигнала. Нулевая гармоника соответствует основной частоте входного сигнала. Все остальное представляет собой шум, который содержит гармонические искажения, тепловой шум, шум 1/f и шум квантования. Некоторые составляющие шума генерируются самим АЦП, некоторые могут поступать на вход АЦП из внешних цепей. Гармонические искажения, например, могут содержаться в измеряемом сигнале и одновременно генерироваться АЦП в процессе преобразования.

Отношение «сигнал/шум»

Это значение позволяет определить долю шума в измеряемом сигнале по отношению к полезному сигналу.

Шум, измеряемый при расчете SNR, не включает гармонические искажения, но включает шум квантования. Для АЦП с определенным разрешением именно шум квантования ограничивает возможности преобразователя теоретически лучшим значением отношения сигнал/шум, которое определяется как:

Спектр шума квантования АЦП стандартных архитектур имеет равномерное распределение по частоте. Поэтому величина этого шума не может быть уменьшена путем увеличения времени преобразования и последующего усреднения результатов. Шум квантования может быть снижен только путем проведения измерений с помощью АЦП большей разрядности.

Другие источника шума АЦП включают тепловой шум, шум составляющей 1/f и джиттер опорной частоты.

Общие гармонические искажения

Нелинейность в результатах преобразования данных приводит к появлению гармонических искажений. Такие искажения наблюдаются как «выбросы» в спектре частот на четных и нечетных гармониках измеряемого сигнала (рис. 15).

Эти искажения определяют как общие гармонические искажения (THD). Они определяются как:

Величина гармонических искажений уменьшается на высоких частотах до точки, в которой амплитуда гармоник становится меньше, чем уровень шума. Таким образом, если мы анализируем вклад гармонических искажений в результаты преобразования, это можно делать либо во всем спектре частот, ограничивая при этом амплитуду гармоник уровнем шума, либо ограничивая полосу частот для анализа. Например, если в нашей системе стоит ФНЧ, то высокие частоты нам просто неинтересны и высокочастотные гармоники не подлежат учету.

Отношение «сигнал/шум и искажения»

Отношение «сигнал/шум и искажения» (SiNAD) более полно описывает шумовые характеристики АЦП. SiNAD учитывает величину как шума, так и гармонических искажений по отношению к полезному сигналу. SiNAD рассчитывается по следующей формуле:

Динамический диапазон, свободный от гармоник

Динамический диапазон, свободный от гармоник, представляет собой разницу между величиной измеряемого сигнала и наибольшим пиком искажений (см. рис.16). Этот динамический диапазон обозначается как SFDR. Он ограничен снизу амплитудой максимальной гармоники паразитных выбросов на выходе АЦП в диапазоне его рабочих частот.

Спецификация АЦП, приводимая в технической документации на микросхемы, помогает обоснованно выбрать преобразователь для конкретного применения. В качестве примера рассмотрим спецификацию АЦП, интегрированного в новый микроконтроллер C8051F064 производства фирмы Silicon Laboratories.

Микроконтроллер C8051F064

Кристалл C8051F064 представляет собой скоростной 8-разрядный микроконтроллер для совместной обработки аналоговых и цифровых сигналов с двумя интегрированными 16-разрядными АЦП последовательных приближений. Встроенные АЦП могут работать в однопроводном и дифференциальном режимах при максимальной производительности до 1М отсчетов/сек. На рис. 17 приведены основные характеристики АЦП микроконтроллера C8051F064. Для самостоятельной оценки возможностей C8051F064 по цифровой и аналоговой обработке данных можно воспользоваться недорогим оценочным комплектом C8051F064EK (рис. 18). Комплект содержит оценочную плату на базе C8051F064, USB-кабель, документацию, а также программное обеспечение для тестирования аналоговых динамических и статических характеристик интегрированного высокоточного 16-разрядного АЦП.

Источник

Раскладываем по полочкам параметры АЦП

Привет, Хабр! Многие разработчики систем довольно часто сталкиваются с обработкой аналоговых сигналов. Не все манипуляции с сигналами можно осуществить в аналоговой форме, поэтому требуется переводить аналог в цифровой мир для дальнейшей постобработки. Возникает вопрос: на какие параметры стоит обратить внимание при выборе микроконтроллера или дискретного АЦП? Что все эти параметры означают? В этой статье постараемся детально рассмотреть основные характеристики АЦП и разобраться на что стоит обратить внимание при выборе преобразователя.

Введение

Рис. 1: Идеальная характеристика АЦП

Статические параметры

Рис. 4: Дифференциальная нелинейность

Рис. 5: Интегральная нелинейность

Динамические параметры

Наглядно данное выражение продемонстрированно на рисунке 7.

Рис. 7: Отношение сигнал/шум

Для оценки SNR АЦП при разработке системы можно воспользоваться следующей формулой:

Первые 2 слагаемых учитывают уровень сигнала и ошибку квантования (нужно понимать, что формула верна для сигнала размаха полной шкалы). Третье слагаемое учитывает эффект передискретизации (выигрыш по обработке или processing gain): если полоса обрабатываемого сигнала (BW Свойство переноса спектра при дискретизации

Рис 12: дискретизация непрерывного сигнала

По фильтрующему свойству дельта-функции:

После дискретизации :

где

С помощью формулы Релея вычислим спектр:

Из этого выражения следует что спектр сигнала будет повторяться во всех зонах Найквиста.

Итак, если есть хороший антиэлайзинговый фильтр, то соблюдая критерий Найквиста, можно оцифровывать сигнал с частотой дискретизации намного ниже полосы АЦП. Но использовать субдискретизацию нужно осторожно. Следует учитывать, что динамические параметры АЦП деградируют (иногда очень сильно) с ростом частоты входного сигнала, поэтому оцифровать сигнал из 6-й зоны так же «чисто», как из 1-й не получится.
Несмотря на это субдискритезация активно используется. Например, для обработки узкополосных сигналов, когда не хочется тратиться на дорогой широкополосный быстродействующий АЦП, который вдобавок имеет высокое потребление. Другой пример – выборка ПЧ (IF-sampling) в РЧ системах. Там благодаря undersampling можно исключить из радиоприемного тракта лишнее аналоговое звено — смеситель (который переносит сигнал на более низкую несущую или на 0).

Сравним архитектуры

На данный момент в мире существует множество различных архитектур АЦП. У каждой из них есть свои преимущества и недостатки. Не существует архитектуры, которая бы достигала максимальных значений всех, описанных выше параметров. Проанализируем какие максимальные параметры скорости и разрешения смогли достичь компании, выпускающие АЦП. Также оценим достоинства и недостатки каждой архитектуры (более подробно о различных архитектурах можно прочитать в статье на хабр).

Тип архитектуры	Преимущества	Недостатки	Максимальное разрешение	Максимальная частота дискретизации
flash	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт.	Высокое энергопотребление. Ограниченное разрешение. Требует большой площади кристалла ( компараторов). Трудно согласовать большое количество элементов (как следствие низкий выход годных).	14 бит 128 КВыб/с AD679	3 бит 26 ГВыб/с HMCAD5831
folding-interpolated	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. Требует меньшее число компараторов благодаря предварительной «свёртке» всего диапазона обработки в некоторый более узкий диапазон. Занимает меньше площади.	Ошибки, связанные с нелинейностью блока свёртки. Задержка на установление уровней в блоке свёртки, которая уменьшает максимальную fs. Среднее разрешение.	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200
SAR	Высокая точность. Низкое энергопотребление. Легка в использовании.	Ограниченная скорость.	32 бит 1 МВыб/с LTC2500	10 бит 40 МВыб/с XRD64L43
pipeline	Быстрый преобразователь. Самая высокая точность среди быстрых АЦП. Не занимает большую площадь. Имеет меньшее потребления, среди аналогичных быстрых преобразователей.	Конвейерная задержка.	24 бит 192 КВыб/с AK5386	12 бит 10.25 ГВыб/с AD9213
dual-slope	Средняя точность преобразования. Простота конструкции. Низкое потребление. Устойчивость к изменениям факторов внешней среды.	Обрабатывает низкочастотные Сигналы (низкая fs). Посредственное разрешение.	12+знаковый бит 10 Выб/с TC7109	5+знак бит 200 КВыб/с HI3-7159
∑-Δ	Самая высокая точность пре- Образования благодаря эффекту «Noise shaping» (специфическая фильтрация шума квантования) и передискретизации.	Не может работать с широкополосным сигналом.	32 бита 769 КВыб/с AK5554	12 бит 200МВыб/с ADRV9009

Информацию для таблицы брал на сайте arrow, поэтому если что-то упустил поправляйте в комментариях.

Источник

Аналого-цифровое преобразование для начинающих

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.

Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.

Рис. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

Источник

Что такое АЦП и чем оно отличается от ЦАП

Разбираемся с АЦП и ЦАП, какие задачи они решают, в чем их достоинства и недостатки.

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.

Как устроен АЦП

В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.

Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?

Рассмотрим простейший одноразрядный АЦП, компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в том случае, если напряжение на первом входе больше чем на втором, он выдает логическую единицу, в противном случае 0.

Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.

Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.

Характеристики АЦП

Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.

Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.

Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.

Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.

Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.

Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.

Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.

Нелинейность АЦП

Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.

Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.

Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.

Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.

Шум квантования

В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.

Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.

Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.

Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.

Джиттер

Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.

Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.

Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.

Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство преобразующее входной цифровой сигнал в аналоговый.

На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.

Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.

Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.

Источник

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

АЦП (Аналого-цифровой преобразователь)

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Содержание

Разрешение

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Например, двоичный АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0…255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 2 8 = 256, троичный АЦП, имеющий разрядность 8 трит, способен выдать 6 561 дискретное значение, поскольку 3 8 = 6561.

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits — ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности.

Типы преобразования

Линейные АЦП

Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование по сути является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная). Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от

Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b = −0,5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).

Нелинейные АЦП

Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безынерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала квантуются с лучшим разрешением. Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.

Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. (Не путать компандер с компрессором!)

Например, голосовой сигнал имеет лапласово распределение амплитуды. Это означает, что окрестность нуля по амплитуде несёт больше информации, чем области с большей амплитудой. По этой причине логарифмические АЦП часто применяются в системах передачи голоса для увеличения динамического диапазона передаваемых значений без изменения качества передачи сигнала в области малых амплитуд.

8-битные логарифмические АЦП с a-законом или μ-законом обеспечивают широкий динамический диапазон и имеют высокое разрешение в наиболее критичном диапазоне малых амплитуд; линейный АЦП с подобным качеством передачи должен был бы иметь разрядность около 12 бит.

Основные типы архитектуры АЦП

На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.

Параллельные АЦП

Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5Г (5х10 9 ) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии.

АЦП последовательного приближения

Сигма-дельта АЦП

Интегрирующие АЦП

Точность

Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки, которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).

Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного двоичного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0,4 %, в 8-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/6561, то есть 0,015 %.

Ошибки квантования

Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранён ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от нуля до половины МЗР.

Нелинейность

Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путём калибровки.

Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).

Апертурная погрешность (джиттер)

Легко видеть, что ошибка относительно невелика на низких частотах, однако на больших частотах она может существенно возрасти.

Эффект апертурной погрешности может быть проигнорирован, если её величина сравнительно невелика по сравнению с ошибкой квантования. Таким образом, можно установить следующие требования к дрожанию фронта сигнала синхронизации:

Δ t 1 2 q π f 0 <\displaystyle \Delta t где q — разрядность АЦП.

Разрядность АЦП	Максимальная частота входного сигнала
Разрядность АЦП	44,1 кГц	192 кГц	1 МГц	10 МГц	100 МГц
8	28,2 нс	6,48 нс	1,24 нс	124 пс	12,4 пс
10	7,05 нс	1,62 нс	311 пс	31,1 пс	3,11 пс
12	1,76 нс	405 пс	77,7 пс	7,77 пс	777 фс
14	441 пс	101 пс	19,4 пс	1,94 пс	194 фс
16	110 пс	25,3 пс	4,86 пс	486 фс	48,6 фс
18	27,5 пс	6,32 пс	1,21 пс	121 фс	12,1 фс
24	430 фс	98,8 фс	19,0 фс	1,9 фс	190 ас

Из этой таблицы можно сделать вывод о целесообразности применения АЦП определённой разрядности с учётом ограничений, накладываемых дрожанием фронта синхронизации (clock jitter). Например, бессмысленно использовать прецизионный 24-битный АЦП для записи звука, если система распределения синхросигнала не в состоянии обеспечить ультрамалой неопределённости.

Частота дискретизации

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.

Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T — период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения — УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.

Наложение спектров (алиасинг)

Все АЦП работают путём выборки входных значений через фиксированные интервалы времени. Следовательно, выходные значения являются неполной картиной того, что подаётся на вход. Глядя на выходные значения, нет никакой возможности установить, как вёл себя входной сигнал между выборками. Если известно, что входной сигнал меняется достаточно медленно относительно частоты дискретизации, то можно предположить, что промежуточные значения между выборками находятся где-то между значениями этих выборок. Если же входной сигнал меняется быстро, то никаких предположений о промежуточных значениях входного сигнала сделать нельзя, а следовательно, невозможно однозначно восстановить форму исходного сигнала.

Если последовательность цифровых значений, выдаваемая АЦП, где-либо преобразуется обратно в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем, желательно, чтобы полученный аналоговый сигнал был максимально точной копией исходного сигнала. Если входной сигнал меняется быстрее, чем делаются его отсчёты, то точное восстановление сигнала невозможно, и на выходе ЦАП будет присутствовать ложный сигнал. Ложные частотные компоненты сигнала (отсутствующие в спектре исходного сигнала) получили название alias (ложная частота, побочная низкочастотная составляющая). Частота ложных компонент зависит от разницы между частотой сигнала и частотой дискретизации. Например, синусоидальный сигнал с частотой 2 кГц, дискретизованный с частотой 1.5 кГц был бы воспроизведён как синусоида с частотой 500 Гц. Эта проблема получила название наложение частот (aliasing).

Для предотвращения наложения спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Этот фильтр получил название anti-aliasing (антиалиасинговый) фильтр, его применение чрезвычайно важно при построении реальных АЦП.

Хотя наложение спектров в большинстве случаев является нежелательным эффектом, его можно использовать во благо. Например, благодаря этому эффекту можно обойтись без преобразования частоты вниз при оцифровке узкополосного высокочастотного сигнала (смотри смеситель). Для этого, однако, входные аналоговые каскады АЦП должны иметь значительно более высокие параметры, чем это требуется для стандартного использования АЦП на основной (видео или низшей) гармонике.

Подмешивание псевдослучайного сигнала (dither)

Некоторые характеристики АЦП могут быть улучшены путём использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала (англ. dither). Она заключается в добавлении к входному аналоговому сигналу случайного шума (белый шум) небольшой амплитуды. Амплитуда шума, как правило, выбирается на уровне половины МЗР. Эффект от такого добавления заключается в том, что состояние МЗР случайным образом переходит между состояниями 0 и 1 при очень малом входном сигнале (без добавления шума МЗР был бы в состоянии 0 или 1 долговременно). Для сигнала с подмешанным шумом вместо простого округления сигнала до ближайшего разряда происходит случайное округление вверх или вниз, причём среднее время, в течение которого сигнал округлён к тому или иному уровню зависит от того, насколько сигнал близок к этому уровню. Таким образом, оцифрованный сигнал содержит информацию об амплитуде сигнала с разрешающей способностью лучше, чем МЗР, то есть происходит увеличение эффективной разрядности АЦП. Негативной стороной методики является увеличение шума в выходном сигнале. Фактически, ошибка квантования размазывается по нескольким соседним отсчётам. Такой подход является более желательным, чем простое округление до ближайшего дискретного уровня. В результате использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала мы имеем более точное воспроизведение сигнала во времени. Малые изменения сигнала могут быть восстановлены из псевдослучайных скачков МЗР путём фильтрации. Кроме того, если шум детерминирован (амплитуда добавляемого шума точно известна в любой момент времени), то его можно вычесть из оцифрованного сигнала, предварительно увеличив его разрядность, тем самым почти полностью избавиться от добавленного шума.

Звуковые сигналы очень малых амплитуд, оцифрованные без псевдослучайного сигнала, воспринимаются на слух очень искажёнными и неприятными. При подмешивании псевдослучайного сигнала истинный уровень сигнала представлен средним значением нескольких последовательных отсчётов.

Однако, в последнее время, в связи с удешевлением 24-битных АЦП, имеющих даже без dihter’а динамический диапазон более 120 дБ, что на несколько порядков превышает полный воспринимаемый человеком диапазон слуха, данная технология потеряла актуальность в звукотехнике. При этом, она используется в ВЧ и СВЧ технике, где битность АЦП обычно мала из-за высокой частоты дискретизации.

Очень похожий процесс, также называемый dither или диффузия ошибок, применяется для представления полутонов изображений в компьютерной графике при малом количестве бит на пиксел. При этом изображение становится зашумленным, но визуально воспринимается реалистичнее чем то же изображение полученное простым квантованием.

Передискретизация

Как правило, сигналы оцифровываются с минимально необходимой частотой дискретизации из соображений экономии, при этом шум квантования является белым, то есть его спектральная плотность мощности равномерно распределена во всей полосе. Если же оцифровать сигнал с частотой дискретизации, гораздо большей, чем по теореме Котельникова-Шеннона, а затем подвергнуть цифровой фильтрации для подавления спектра вне частотной полосы исходного сигнала, то отношение сигнал/шум, будет лучше, чем при использовании всей полосы. Таким образом можно достичь эффективного разрешения большего, чем разрядность АЦП.

Передискретизация также может быть использована для смягчения требований к крутизне перехода от полосы пропускания к полосе подавления антиалиасингового фильтра. Для этого сигнал оцифровывают, например, на вдвое большей частоте, затем производят цифровую фильтрацию, подавляя частотные компоненты вне полосы исходного сигнала, и, наконец, понижают частоту дискретизации путём децимации.

Характеристики основных типов АЦП

Ниже перечислены основные способы построения и характеристики электронных АЦП более подробно:

Неэлектронные АЦП обычно строятся на тех же принципах.

Применение АЦП в звукозаписи

АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на компакт-диск.

Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц. Многие люди, занятые в этой области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема Котельникова-Шеннона). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi-аудиотехники используется частота дискретизации 44,1 кГц (стандартная для компакт-дисков) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако широкая полоса упрощает и удешевляет реализацию антиалиасинговых фильтров, позволяя делать их с меньшим числом звеньев или с меньшей крутизной в полосе заграждения, что положительно сказывается на фазовой характеристике фильтра в полосе пропускания.

Аналого-цифровые преобразователи для звукозаписи имеют широкий диапазон цен — от 100 до 10 тыс. долл. и выше за двухканальный АЦП.

АЦП для звукозаписи, используемые в компьютерах, бывают внутренние и внешние. Также существует свободный программный комплекс PulseAudio для Linux, позволяющий использовать вспомогательные компьютеры как внешние ЦАП/АЦП для основного компьютера с гарантированным временем запаздывания.

Другие применения

Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме.

Источник

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП): назначение, устройство, применение.

Что такое АЦП?

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП.

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала

По параллельному методу входное напряжение одновременно сравниваются с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной.

Принцип действия АЦП (рис. 3.93)

При U_вх = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений (U₊ − U₋) 0,5U, но меньше 3/2U, лишь для нижнего ОУ (U₊ − U₋) > 0 и лишь на его выходе появляется напряжение +Е_пит, что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Z₀ = 1, Z₂ = Z_l = 0. Если U_вх > 3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Е_пит, что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.

Посмотрите интересное видео о работе АЦП:

АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала

Это АЦП последовательного счета, который называют АЦП со следящей связью (рис. 3.94). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе U_вх и на выходе ЦАП −U. Если входное напряжение U_вх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства U_вх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)).

Принцип действия рассматриваемого АЦП рис. 3.95) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения U_вх. Использованы следующие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генератор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик импульсов.

Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства U_вх и U_глин. Через U_Сч обозначено напряжение на входе счетчика.

Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

АЦП с двойным интегрированием

Такой АЦП реализует метод последовательного преобразования входного сигнала (рис. 3.96). Использованы следующие обозначения: СУ — система управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик импульсов.

Принцип действия АЦП состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения U_вх интегратором на основе ОУ (напряжение U_и на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего — интегрирование опорного напряжения U_оп (U_и меняется от максимальной по модулю величины до нуля) (рис. 3.97).
Пусть время t₁ интегрирования входного сигнала постоянно, тогда чем больше второй отрезок времени t₂ (отрезок времени, в течение которого интегрируется опорное напряжение), тем больше входное напряжение. Ключ К_З предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние.

В первый из указанных отрезков времени ключ К₁ замкнут, ключ К₂ разомкнут, а во второй, отрезок времени их состояние является обратным по отношению к указанному. Одновременно с замыканием ключа К₂ импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч.

Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю.

Напряжение на выходе интегратора по истечении отрезка времени t₁ определяется выражением

Используя аналогичное выражение для отрезка времени t₂, получим

Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.

Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП — малое быстродействие.

Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 3.3) Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшим — АЦП последовательного преобразования.

Предлагаем посмотреть ещё одно достойное видео о работе и устройстве АЦП:

Источник

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Основные типы и их параметры.

АЦП – устройство, преобразующее значение непрерывной аналоговой величины в эквивалентный ей цифровой код.

В полупроводниковых АЦП наибольшее распространение получили три известных принципа преобразования:
· последовательного счета;
· поразрядного кодирования (последовательного приближения);
· параллельного преобразования.

АЦП последовательного счета

Простейший АЦП данного типа и его временная диаграмма (для случая Uвх = Α = const) представлены на рисунке.

АЦП состоит из компаратора, ЦАП, двоичного счетчика, выходного буферного регистра. После команд СБРОС и ПУСК, подаваемых на АЦП, импульсы тактового генератора начинают увеличивать показания счетчика, а, следовательно, и выходной сигнал ЦАП Χ(t) ступеньками по Δx. Компаратор определяет разницу между Χ и Α. Если окажется, что Χ – Α > 0, компаратор вырабатывает сигнал СТОП, счетчик останавливается и индицирует двоичный код, эквивалентный входному сигналу Uвх = Α. Общее время преобразования сигнала зависит от его величины.
Недостатком такой схемы АЦП является ее низкое быстродействие.

АЦП последовательного приближения

Упрощенная схема АЦП последовательного приближения приведена на рисунке

После пуска схемы первым тактовым импульсом регистр памяти (РП) устанавливает старший разряд ЦАП в единицу. При этом, если Uвх > UЦАП, то компаратор подтверждает состояние РП и ЦАП. Следующим тактовым импульсом единица устанавливается в следующем за старшим разряде. Если окажется, что Uвх

Статические параметры АЦП во многом по смыслу аналогичны статическим параметрам ЦАП и рассмотрены тут — www.drive2.ru/b/2558751/

Среди динамических параметров АЦП основными являются:
максимальная частота преобразования – частота дискретизации входного сигнала;
апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому оно относится;
апертурная неопределенность – случайное изменение апертурного времени в конкретной точке характеристики преобразования;
время кодирования – время, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала (время от начала импульса запуска до появления выходного кода).

Источник

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно-изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов. В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д.

Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций (рис.13.5):

— выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во времени,

— квантование (округление преобразуемой величины до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени значения аналоговой величины по уровню,

— кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.

Рис. 13.5. Принцип аналого-цифрового преобразования.

Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене бесконечного множества её значений на некоторое конечное множество значений U*n(t), называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь диапазон изменения функции D = U(t)max-U(t)min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования U*n(t). Величина h = D/N носит название шага квантования. В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция U(t) заменяется дискретной функцией U*n(t).

В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением:

h — шаг квантования,

δki — погрешность преобразования на i-м шаге.

Погрешность зависит от разрядности.

Основные параметры АЦП делятся на статистические и динамические.

К статистическим относятся:

— вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое перемещение и т.д.,

— диапазон изменения входных величин,

— абсолютная разрешающая способность,

— абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δ_шк,

— нелинейность преобразования δL.

К динамическим параметрам относится максимальная частота преобразования f_пр.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся на АЦП параллельного преобразования, АЦП поразрядного взвешивания, следящие АЦП, интегрирующие АЦП и др.

АЦП параллельного преобразования реализуют метод непосредственного считывания и являются самыми быстродействующими. В качестве примера рассмотрим принцип работы микросхемы К1107ПВ1. Микросхема имеет 6 разрядов и обеспечивает быстродействие до 20 МГц (рис.13.6).

Рис 13.6. Структурная схема параллельного АЦП.

Устройство содержит делитель, образованный резисторами R_1, R₆₄, 64 компаратора К_1, К₆₄, преобразователь кода и регистр. На входы компараторов поступают входной сигнал Ux и напряжение с делителя. При этом на выходах компараторов формируется 64-х разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования. Полученный единичный код поступает на вход преобразователя кода, в котором он преобразуется в 6-ти разрядный двоичный код. Полученный двоичный код записывается в регистр и выдается на выходные шины. В данном АЦП время преобразования занимает один такт.

АЦП поразрядного взвешивания (или поразрядного кодирования) выполняет одно преобразование за n тактов (рис.13.7).

Рис 13.7. Структурная схема АЦП поразрядного кодирования

Основой АЦП является регистр последовательных приближений. Он представляет собой сдвигающий регистр, в котором последовательно, начиная со старшего разряда формируется логическая единица. В зависимости от сигнала U_упр, поступающего на его вход, эта единица или остается или заменяется логическим «0». Резистивная матрица формирует аналоговое напряжение, эквивалентное «весу» цифрового кода, поступающего на матрицу с регистра приближений. Схема сравнения сравнивает напряжения U_x и U_м, и в зависимости от их величин формирует сигнал U_упр на уровне лог.»0″ или лог.»1″.

Рассмотрим пример:

Пусть U_x = 7В, а U₀ = 10В, тогда в первом такте в старшем разряде регистра формируется лог.»1″ и U_м = 5В, U_м U_x; U_упр = 0. Следовательно, единица в n-1 разряде заменяется на лог.»0″ и U_м = 5В.

В третьем такте в разряд n-2 регистра записывается лог.»1″ и U_м = 5В + 1,25В = 6,25В, Uм

Источник

Разнообразие аналогово-цифровых преобразователей вырождается?

Первый АЦП

Самым первым упоминанием АЦП в истории является патент США 1 608 527 под названием «Facsimile Telegraph System», который был подан 20 июля 1921 года Полом М. Рейни, работником компании Western Electric. Патент был получен спустя 6 лет, 30 ноября 1926 года.

Рисунок 1 – Патент «Facsimile Telegraph System»

Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования (flash ADC, direct-conversion ADC). Принцип действия полностью параллельного АЦП прямого преобразования заключается в том, что все параллельные компараторы с напряжением сравнения меньшим, чем уровень входного сигнала переключаются в «1», а все параллельные компараторы с напряжением сравнения бо́льшим, чем уровень входного сигнала остаются в состоянии «0». Шифратор перекодирует полученный двоично кодированный унарный код (Binary Coded Unary, BCU) в код для передачи дальнейшим устройствам.

Типы существующих АЦП

АЦП имеет множество характеристик, которые условно можно разделить на статические:

Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.
На рисунке 2 показан график зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования.

Рисунок 2 – График зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40 MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100 kSPS — 1 MSPS. Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до десятков kSPS. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в измерительных приборах.

Сигма-дельта АЦП

На хабре была статья 2011 года, где упоминались разные типы АЦП, но в данной статье смысл совсем другой.

Структура любого сигма-дельта АЦП содержит сигма-дельта модулятор, который преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность нулей и единиц, и цифровой фильтр-дециматор. Эта последовательность нулей и единиц в иностранной литературе называется PDM (pulse density modulation), что принципиально отличает ее от ШИМ (широтно импульсной модуляции).

Рисунок 3 структура сигма-дельта АЦП

Входной сигнал поступает на блок вычитания полученного битового кода, далее на интегратор, компаратор и триггер (элемент задержки по времени), выход триггера — последовательность битового кода PDM. Данная последовательность поступает на усредняющий ФНЧ, дециматор, и на выходе получается оцифрованный сигнал высокой разрядности (разрядность повышается внутри фильтра). Надо заметить, что частота следования нулей и единиц в потоке PDM должна быть существенно выше, чем частота построения выходного кода высокой разрядности. В простейшем случае для получения 8-битного АЦП необходимо повышение частоты PDM в 256 раз. Это неудобно и нерационально.

Поэтому сигма-дельта модуляторы собирают последовательно в количестве 2..3..7 штук, возникает эффект модуляции шума, перенос энергии шума на высокие частоты, и как следствие в рабочей низкочастотной области шумов оказывается меньше. Это позволяет получить «эффективную» разрядность существенно выше, что у PDM первого порядка, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 Формирование спектра шума сигма-дельта модуляторов разного порядка

Таким образом, при повышении частоты дискретизации в 64 раза и использовании сигма-дельта модулятора 4 порядка можно получить разрядность 12 бит вместо 6. При повышении порядка до 7 и той же частоте дискретизации разрядность можно поднять уже до 16. Таким образом, оказывается возможным создавать сигма-дельта АЦП не только до единиц-десятков kSPS, но и существенно больше. Например, если производить цифровую фильтрацию PDM в ПЛИС Xilinx на частоте 400 МГц (что вполне реализуемо с использованием аппаратных умножителей и дифференциальных входов), коэффициенте передискретизации 64 можно получить 16-битный АЦП на частоте 6.250 MSPS. При меньшей разрядности можно увеличить частоту дискретизации. Данный тип АЦП можно использовать для синхронной обработки большого числа АЦП, особенно если всю цифровую обработку всех потоков PDM поместить внутри одной ПЛИС.
Классический рисунок областей применения различных АЦП можно изменить так:

Рисунок 5 Современное состояние различных типов АЦП

Сигма-дельта АЦП могут заменить собой практически все другие типы АЦП кроме наиболее быстродействующих параллельных. И по большинству параметров окажутся лучше старых аналогов других типов.

Источник

Скоростной АЦП с нуля. 16 бит за 10 лет

Чего стоит разработать быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, почти не имея опыта? Насколько сильно наше отставание в этой области? Есть ли в этой нише шанс найти коммерческое применение своей продукции и отщипнуть хоть кусочек рынка у гигантов мира сего? Выпуская в свет новый 16-битный 80 МГц АЦП, хотим порассуждать на эти темы и рассказать о самой микросхеме и опыте её создания.

Введение

…2010 год. Тогда многие этим увлекались. Тема быстрых АЦП вдруг стала популярной. Кто-то раньше, кто-то позже, но сразу несколько российских компаний принялись вести разработки в этой области. Не стали исключением и мы. Словно нужно было дождаться, когда рассеется дым горящих вокруг Москвы торфяников, чтобы увидеть, что ниша отечественных скоростных аналого-цифровых преобразователей совершенно пуста. Отставание было гигантским, в несколько поколений. Из «наших» тогда можно было достать только старые добрые микросхемы серии 1108ПВ — 10-14 разрядные АЦП с быстродействием 0,3-1,3 МГц, разработанные еще в советской Риге. Самым «крутым» считался вильнюсский биполярный 1107ПВ3, тоже родом из 80-х, который имел разрядность 6 бит и мог работать со скоростями до 100 МГц. В это же время западные микросхемы на таких скоростях достигали уже 16 бит! А при меньшей разрядности могли работать на нескольких сотнях мегагерц.

Столь привлекательным казалось попытаться наверстать отставание и заполнить этот вакуум отечественного сегмента АЦП. Было очевидно: кто первый создаст что-то более-менее современное, у того будет шанс монополизировать в дальнейшем весь сегмент. Ввязавшись в гонку тогда, мы смутно догадывались, что путь предстоит неблизкий, но никто не предполагал, что первый верстовой столб на нём будет стоять на отметке в 10 лет…

Смог в Зеленограде 2010 г. Фото с сайта Graker.ru

Что за зверь?

Здесь мы на секунду прервёмся, чтобы сказать несколько общих слов об аналого-цифровых преобразователях вообще и о быстродействующих в частности.

Наверное, каждый человек, сам того не подозревая, ежедневно имеет дело с АЦП. Электроника окружает нас повсюду, и, если речь идёт о современном устройстве хоть чуточку сложнее штепсельной вилки, в нём наверняка трудится этот девайс. А уж такая привычная нам техника, как смартфоны, видеокамеры, аудиопроигрыватели, игровые станции, и пр. буквально напичканы ими. Аналого-цифровые преобразователи в их составе выполняют разную работу и имеют присущую этой работе архитектуру: это может быть SAR, Delta-sigma, Pipeline, Folded-interpolated, Flash, Dual-slope и т.д. Такое разнообразие видов обусловлено тем, что не существует оптимальной архитектуры для всех типов приложений. С точки зрения исполнения АЦП могут быть встроены в системы-на-кристалле или реализованы в виде отдельных микросхем.

В системах радиосвязи, радиолокации, телекоммуникации зачастую используются быстродействующие АЦП. Быстродействующими считаются преобразователи с частотой выборки более 10 Мвыб/c. Как правило, они имеют архитектуру Flash, Folded-Interpolated или pipeline, хотя в последнее время стали появляться и быстрые SAR.

У любого АЦП довольно много различных параметров. Для высокоскоростных преобразователей ввиду специфики их применения особенно важны динамические – SFDR, SNR, IMD. Подробнее об этих и других параметрах можно прочитать здесь.

Первые шаги

Вернемся обратно в 2010 год. Какими наивными мы были! Сейчас уже невозможно сдержать улыбку, просматривая отчёты и презентации, что мы делали тогда. Только с аспирантской скамьи, мы строили честолюбивые планы, как через пару-тройку лет сделаем преобразователь, не менее быстрый и не менее точный, чем у них… Ведь опыт разработки быстродействующих АЦП уже был. В нашем портфолио лежал аж 14-битный 100 МГц преобразователь! (Не миландровский.) Правда работал он так:

Вид кристалла и спектр после первой попытки

На выходе этого «преобразователя» вместо синусоиды был изрезанный резкими провалами меандр. Представляете, два года работы – и такое фиаско! SNR 17 дБ вместо расчётных 68. Тем не менее никто не унывал, потому что такие провалы не редки в микроэлектронике. Такова уж специфика, что за каждой схемой, как бы хорошо она не работала на модели, скрывается вопрос — а в «железе» будет работать? Ответить на этот вопрос, и то не наверняка, можно только с опытом.

Итак, мы перевернули страницу и принялись заново разрабатывать 14-разрядный 100 МГц АЦП. Вскоре параллельно с нами начала работать другая, более опытная команда, перешедшая к нам со своими разработками из другой компании. Мы недоумевали тогда, зачем двум командам решать, пусть и разными способами, но одну и ту же задачу? Зачем эта внутренняя конкуренция? Оказывается этим, сами того не подозревая, мы копировали в миниатюре великих мира сего…

А как там у них?

Нам было любопытно, как развивалось направление быстрых АЦП у лидеров сегмента. Для примера мы взяли компанию Analog Devices, которая еще в 2010 году удерживала 48% рынка преобразователей, что больше, чем доля 8 последующих конкурентов вместе взятая. Проанализировав и сопоставив официальные даташиты и научные публикации, мы составили следующий таймлайн:

В таблице приведены примерный год выхода и технология выдающихся для своего времени АЦП, а также подразделение компании, занимавшееся разработкой. (У нас нет инсайда, поэтому эти данные отражают лишь наше виденье.)

Не разбирая всех причин такого успеха компании, отметим лишь две наиболее важные для нас, инженеров. Во-первых, это полувековое эволюционное развитие, позволившее накопить внушительный «коллективный» опыт. Во-вторых, большие финансовые и ресурсные вложения, свидетельствующие о приоритетности этого направления в компании. Над быстродействующими АЦП одновременно работают два подразделения, в Вилмингтоне и Гринсборо (США), причем в разработке каждой микросхемы может быть задействовано до нескольких десятков инженеров. Основной костяк каждой группы — это инженеры, которые много лет занимаются исключительно этой тематикой. Иногда у обеих команд получались близкие по характеристикам преобразователи, хоть и шли они каждый своим путём. Зачастую и в этом случае обе микросхемы выводились на рынок. Супербыстрые преобразователи последнего поколения оказались «неподъёмными» для какого-то одного подразделения, поэтому обе команды вынуждены были объединить усилия.

Долгая дорога в дебрях

Отметка «мы здесь» на таймлайне вверху демонстрирует, что в области быстродействующих АЦП наше отставание от передовых разработок на сегодня составляет около 10 лет. И это после десятилетней работы! Наверняка кому-нибудь понадобилось бы меньше времени, но именно столько мы потратили, чтобы пробраться сквозь дебри разработки и получить результат, за который не стыдно.

В первое время недостаток опыта и схемотехнических навыков приводил к неоптимальным или даже ошибочным решениям. Учесть все нюансы и найти лучшее решение было затруднительно не только ввиду сложности системы, но и потому, что симуляторы того времени просто не позволяли промоделировать весь АЦП целиком.

Очень скоро выяснилось, что при таких скоростях на параметры влияет не только качество схемотехники самой микросхемы, но и того, что её окружает – корпуса и печатной платы. Нужно было учиться разрабатывать платы для таких приложений: ведь сначала не получалось даже повторить демо-плату ADI так, чтобы параметры их же АЦП соответствовали даташиту. Индуктивности использовавшегося корпуса тоже пагубно отражались на характеристиках, поэтому пришлось разработать новый корпус с так называемым «донным» контактом (exposed pad), чтобы увеличить количество выводов «земли».

Качество измерений при производстве – ещё один фактор, ограничивающий достигаемые характеристики. При функциональном контроле используется своя оснастка из печатной платы и контактирующего устройства (коробочка, куда вставляется микросхема и прижимается к плате). Предназначенная для больших промышленных тестеров, эта оснастка громоздкая, а значит привносит дополнительные «паразиты» и губит параметры. К примеру, даже у последнего АЦП мы вынуждены ограничивать скорость и диапазон напряжения питания из-за того, что просто не можем подтвердить в условиях цеха параметры, достигаемые этой же микросхемой, но распаянной на компактной плате. Нечего и говорить о том, что достичь высоких характеристик невозможно без современного измерительного оборудования – в первую очередь дорогих генераторов с низким уровнем шума и джиттера, а также высококачественных полосовых фильтров высокого порядка, чтобы отфильтровывать гармоники этих генераторов.

Таймлайн тестовых образцов в ходе разработки микросхемы

За время, что мы работали над этой микросхемой, было сделано 5 запусков. Будучи fabless компанией, каждый запуск обходился нам «в копеечку», которую, к тому же, приходилось доставать из своего кармана (из кармана компании, а не из брюк инженеров), так как этот проект не связан с ОКР-ами и финансируется из собственных средств. Помимо цены есть ещё один минус для мелких fabless компаний. Ожидание кристаллов после запуска иногда затягивается до полугода, чем напрочь выбивает из рабочего ритма.

В 2014 году мы готовы были выводить имеющуюся разработку в свет, руководствуясь принципом «на безрыбье и рак — рыба». Микросхема была откровенно «сырая», плохо калибровалась, поэтому хорошо, что к этому моменту вторая наша команда АЦП-шников сделала более хорошую микросхему – её и стали производить под именем 5101HB015. Чтобы попробовать превзойти этот АЦП, нам пришлось перейти на новую архитектуру и даже другую фабрику.

И вот, наконец, новая микросхема увидит свет!

Коммерческий рынок. Почему высокоскоростные АЦП?

Прежде, чем говорить о получившейся микросхеме, поделимся своими соображениями относительно её возможных перспектив. Коммерческий рынок быстродействующих АЦП довольно специфичен и на нём, как бы это дерзко не звучало, можно попытаться сыграть.

A. Выход на мировой рынок

Наверняка, многие знают: чтобы сделать коммерчески выгодный продукт в микроэлектронике, необходим крупный рынок сбыта. Это связано с окупаемостью R&D, измерительного оборудования, запуска тестовых кристаллов и т.д. Влияет на цену микросхемы и тот факт, что фабрика даёт скидку на пластины при больших объёмах производства. В суровых реалиях российского приборостроения сложно сделать схему, которая бы обеспечила высокий спрос. Тем более, когда существуют такие гиганты как ST, TI, ADI, ну и китайские аналоги любых микросхем, которые можно купить за «3 копейки».

Один из способов решения проблемы – искать высокомаржинальные направления, которые не требуют серьезных вложений в создание программной инфраструктуры. Скажем, FPGA, процессоры и другие цифровые решения помимо собственно выпуска микросхемы требуют создания среды разработки. На то, чтобы сделать её качественной и удобной для пользователя, может уйти гораздо больше времени и денег, чем на сам чип.

С высокоскоростными преобразователями всё иначе. На рынке существуют 3 основные компании, которые развивают направление высокоскоростных АЦП: TI, ADI и Maxim Integrated (последние две объявили о слиянии). Поэтому данный рынок сильно монополизирован. Цены на преобразователи с частотой дискретизации 80 Мвыб/c находятся в районе 80 долларов, что подразумевает серьезную наценку. На habr есть статья, в которой хорошо освещена проблема монополии в микроэлектронике.

Б. Ограничение поставки в Россию и Китай

С каждым годом вступают все более жесткие ограничения на поставки ЭКБ в Россию и Китай. Высокоскоростные точные преобразователи попадают в категорию ограничений. Даже потребители из европейских стран при заказе таких микросхем должны заполнять документацию, связанную с экспортным контролем продукции двойного назначения. Этот аспект тормозит развитие коммерческих устройств, которые могли бы достичь лучших параметров.

Фото с сайтов Mouser, Arrow
В. Улучшение качества собственных продуктов РЭА
На данный момент у нас разрабатывается система ADAS для помощи водителю. Для обработки данных с радара может использоваться новый АЦП, что позволит существенно поднять точностные параметры системы, а также уменьшить стоимость аппаратуры.

Обобщив все эти пункты, мы решили создать коммерческий вариант микросхемы (называться будет MDRA1A16FI), цена которой будет ниже, чем у зарубежных аналогов. Образцы в металлокерамическом корпусе можем предоставить всем заинтересованным уже сейчас, а в пластиковом корпусе QFN-48 — в начале 2021 года. Кому интересно, здесь можно оставить заявку на получение образцов. Пластиковый корпус существенно меньше металлокерамического – всего 7x7x0.85 мм против 11x11x2 мм, и, следовательно, легче и дешевле.

Что в итоге получилось

Теперь, наконец, о самой микросхеме – что в итоге получилось. Микросхема, получившая название 5101HB045, представляет собой 16-разрядный АЦП с частотой дискретизации 80 Мвыб/c. Её характеристики следующие:

Разрядность, бит		16
Напряжение питания, В		1.8
Полная шкала, В (п-п)		2
Частота преобразования, МГц		80
Соотношение сигнал/шум, dBFS (при =10/75МГц)		75.0 / 73.1
Динамический диапазон, свободный от гармоник, dBc (при =10/75МГц)		94 / 83
Интермодуляционные искажения 3-го порядка, dBc (при

Спектр, интегральная и дифференциальная нелинейность

Структурная схема преобразователя:

Микросхема представляет собой одноканальный АЦП конвейерного типа с разрядностью 16 бит. Процесс преобразования происходит в несколько этапов:

Микросхема обладает множеством режимов работы, которые можно конфигурировать с помощью SPI интерфейса. Все подробности – в спеке. Кстати, мы наконец-то сделали спецификацию по западному стандарту (правда англоязычную) – без всяких запутанных «ТУ-шных» таблиц.

Стало лучше?

Во многом, да, если сравнивать с тем же 5101НВ015:

Отладочный комплект и софт

Для того, чтобы попробовать этот АЦП в действии, и при этом не заниматься проектированием печатной платы, мы разработали специальный отладочный комплект. В него входят две платы – аналоговая (собственно АЦП и обвязка) и цифровая (сбор выходных данных). Обе платы соединяются разъемами и питаются от одного стандартного 5 В блока питания.

Используя этот отладочный комплект, можно легко и быстро проверять свои решения при разработке аппаратуры. Достаточно подключить к разъёму входной сигнал, всё остальное сделает комплект. На плате присутствует источник тактового сигнала и даже источник внешнего опорного напряжения, чтобы проверить, как работает система при «опоре» 1,25 В. При желании можно подать свой собственный тактовый сигнал через соответствующий разъем.

Самостоятельно собирать и обрабатывать выходные отсчёты с АЦП тоже не нужно. Мы написали новый софт – быстрый и автономный. Предыдущая версия требовала, к примеру, предустанавливать matlab-библиотеки, что достаточно неудобно. Программа умеет конфигурировать АЦП, снимать и выгружать с него данные, строить спектр и вычислять по нему характеристики. Данное ПО поставляется в составе отладочного комплекта. Так же, его можно скачать здесь. Кому интересны комплекты, вот ссылка.

Скриншоты отладочного ПО

Работа над ошибками

Да, мы сделали большой рывок, но часть характеристик всё еще не дотягивает до параметров импортных микросхем. Сравним основные характеристики существующих 16 разрядных АЦП с частотой дискретизации 80 Мвыб/c.

5101НВ045	AD9265	ADS5481	ADS5562	MAX19586	AD9266	LTC2163
Производитель	МИЛАНДР	ADI	TI	TI	Maxim	ADI	Linear T. (ADI)
Разрядность, бит	16	16	16	16	16	16	16
Скорость, Мвыб/c	80	80	80	80	80	80	80
Интерливинг	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет
Входной буфер	нет	нет	да	нет	да	нет	нет
Один источник питания	да (1.8В)	да (1.8В)	нет (5; 3В)	да (3.3В)	нет (1.8; 3.3В)	да (1.8В)	да (1.8В)
Дизеринг	нет	да	да	нет	нет	нет	нет
Делитель тактовой частоты	да	да	нет	нет	нет	да	нет
Входной размах	2 В(п-п)	2 В(п-п)	3 В(п-п)	3.56 В(п-п)	2.56 В(п-п)	2 В(п-п)	2 В(п-п)
SFDR @ 10 MHz	тип 94 (>88)	тип 88	тип 98	тип 85 (>75)	тип 96	тип 94	тип 90
SFDR @ 70 MHz	тип 83 (>72)	(>92)	тип 93	н/д	тип 84 (>80)	тип 93	тип 89 (>82)
SNR @ 10 MHz	тип 75 (>74)	тип 80	тип 81	тип 83.8 (>79)	тип 80	тип 77.6	тип 77.1
SNR @ 70 MHz	тип 73.1 (>71)	(> 78.7)	тип 80.1	н/д	тип 79.2 (>77.5)	тип 76.6	тип 76.9 (>75.3)
Потребляемая мощность, Вт	0.563	0.308	2.15	0.865	1.11	0.124	0.188
Совместимость одновременно с 1,8/2,5/3,3 В ПЛИС	да	нет	нет	нет	нет	да	нет

Недостатком нашей микросхемы является деградация линейности и ухудшение шума при работе в т.н. “undersampling” режиме (информацию об этом добавили в предыдущую публикацию), т.е. когда полоса входного сигнала находится во второй и выше зоне Найквиста. Это требуется, например, в приложениях с непосредственной дискретизацией ПЧ. Эта деградация происходит из-за относительно высокого собственного джиттера и нелинейности входного УВХ, которая начинает проявляться примерно с 60 МГц.

Зависимость динамических характеристик от частоты входного сигнала

Если, однако, вы обрабатываете сигналы с частотой до 60-70 МГц, то по динамическим параметрам 5101HB045 смотрится в этой таблице, на наш взгляд, вполне достойно.

Что будет дальше?

Поделимся планами по развитию наших высокоскоростных АЦП. Мы полны решимости сделать еще один цикл (надеемся, он пройдёт быстрее, чем за 10 лет) и «дотянуть» характеристики нашей микросхемы до уровня аналогов. Если конкретно, то:

Вторая наша группа разработчиков приоритетом для себя видит высокую скорость преобразования. В её планах:

Источник

Ацп что это

Как работают аналого-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП?

Параллельные АЦП

АЦП последовательного приближения

Сигма-дельта АЦП

Интегрирующие АЦП

Спецификация АЦП

Статическая погрешность

Идеальная передаточная характеристика АЦП

Аддитивная погрешность

Мультипликативная погрешность

Интегральная нелинейность

Погрешность квантования

Динамические характеристики

Отношение «сигнал/шум»

Общие гармонические искажения

Отношение «сигнал/шум и искажения»

Динамический диапазон, свободный от гармоник

Микроконтроллер C8051F064

Раскладываем по полочкам параметры АЦП

Введение

Статические параметры

Динамические параметры

Сравним архитектуры

Аналого-цифровое преобразование для начинающих

Что такое АЦП и чем оно отличается от ЦАП

Аналого-цифровой преобразователь

Как устроен АЦП

Характеристики АЦП

Нелинейность АЦП

Шум квантования

Джиттер

Цифро-аналоговый преобразователь

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана Bauman National Library

Персональные инструменты

АЦП (Аналого-цифровой преобразователь)

Содержание

Разрешение

Типы преобразования

Линейные АЦП

Нелинейные АЦП

Основные типы архитектуры АЦП

Параллельные АЦП

АЦП последовательного приближения

Сигма-дельта АЦП

Интегрирующие АЦП

Точность

Ошибки квантования

Нелинейность

Апертурная погрешность (джиттер)

Частота дискретизации

Наложение спектров (алиасинг)

Подмешивание псевдослучайного сигнала (dither)

Передискретизация

Характеристики основных типов АЦП

Применение АЦП в звукозаписи

Другие применения

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП): назначение, устройство, применение.

<img decoding="async" src="//pue8.ru/wp-content/uploads/2017/03/3.92.jpg" alt="Ацп что это" title="3.92">Что такое АЦП?

АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала

АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала

АЦП с двойным интегрированием

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Основные типы и их параметры.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Разнообразие аналогово-цифровых преобразователей вырождается?

Первый АЦП

Типы существующих АЦП

Сигма-дельта АЦП

Скоростной АЦП с нуля. 16 бит за 10 лет

Введение

Что за зверь?

Первые шаги

А как там у них?

Долгая дорога в дебрях

Коммерческий рынок. Почему высокоскоростные АЦП?

Что в итоге получилось

Стало лучше?

Отладочный комплект и софт

Работа над ошибками

Что будет дальше?

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Что такое АЦП?