Параллельный АЦП: структура и функционирование

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. analog-to-digital converter, ADC) – устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Базовым элементом любого аналого-цифрового преобразователя является аналоговый компаратор.

Аналоговый компаратор – электронная схема, сравнивающая два напряжения и формирующая цифровой сигнал, показывающий, какой из них имеет большее значение.

Аналоговый компаратор имеет два входа и выход, которые условно обозначим , и соответственно. Тогда работу идеального аналогового компаратора можно описать следующим соотношением:

где 1 и 0 – логические уровни цифрового сигнала.

Часто входы и выход обозначают более понятным способом, отражающим их назначение:

Напряжение называется опорным. Иллюстрация работы аналогового компаратора представлена на рис. 41.1.

Рис. 41.1. Работа аналогового компаратора

В аналоговой схемотехнике компаратор обычно реализуется на базе операционного усилителя, охваченного резистивной (т.е. через сопротивление) положительной (т.е. к неинвертирующему входу) обратной связью. Мы же для простоты будем рассматривать просто операционный усилитель в качестве компаратора, хотя необходимо помнить, что аналоговый компаратор отличается от операционного усилителя устройством входного и выходного каскадов усиления (рассмотрение этого аспекта выходит за рамки данного курса).

Шифратор (кодер, англ. encoder) представляет собой цифровое комбинационное устройство, имеющее входов и выходов. При подаче логической единицы на один из входов, на выходах появится двоичный код номера входа. Например, если подать логическую единицу на вход №2 (считая с нуля), на выходах появится (для 4-битного шифратора).

В шифраторе единичный сигнал можно подавать только на один из входов. В отличие от него в приоритетном шифраторе (англ. priority encoder) поведение в ситуации с несколькими единичными сигналами на входе вполне определено: на выходе появляется двоичный код самого большого номера входа, на котором присутствует логическая единица. Например, если подать логическую единицу на входы 3, 4, 7, на выходах появится (для 8-битного приоритетного шифратора).

Рассмотрим устройство и функционирование параллельного АЦП (англ. flash ADC), схема которого представлена на рис. 41.2.

Рис. 41.2. Параллельный АЦП

На данной схеме исходный аналоговый сигнал подаётся на вход , а опорное напряжение – на вход . Опорное напряжение с помощью делителя напряжения, состоящего из одинаковых резисторов, делится на уровни. Смысл опорного напряжения и результата его деления делителем напряжения в том, что получившиеся уровни представляют собой величины аналогового сигнала, соответствующие весам отдельных двоичных разрядов.

Дальнейшее сравнение сформированных уровней с исходным напряжением аналоговыми компараторами дает следующий эффект: если меньше любого из уровней, то на выходе компаратор получим код 00000000, если оно превысит первый уровень 00000001 и т.д. для следующих уровней будем иметь 00000011, 00000111, 00001111, …

Очевидно, что данный код не является ожидаемым результатом работы АЦП, но преобразование легко осуществить с помощью приоритетного шифратора. Действительно, 00000011 соответствует 010, т.е. 2 в десятичной системе счисления, поскольку при этом исходное напряжение превысило второй уровень, полученный делением опорного напряжения. В то же время 00000011, будучи поданным на приоритетный шифратор, даст на его выходе искомый код 010 – фактически, номер самого старшего бита, имеющего единичное значение.

Выход приоритетного шифратора и является выходом рассматриваемого АЦП. Графическая иллюстрация работы АЦП представлена на рис. 41.3. [ВНИМАНИЕ! На иллюстрации допущена ошибка – неверно изображено опорное напряжение.]

Рис. 41.3. Результат преобразования аналогового сигнала параллельным АЦП

Рассмотренный параллельный аналого-цифровой преобразователь позволяет достичь очень высокого быстродействия, практически, максимально для этого класса устройств. Однако их существенным недостатком являются большие аппаратные затраты: для -разрядного АЦП требуется аналоговых компараторов, которые являются сравнительно сложными устройствами.