Последовательно-параллельные АЦП

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные.

Высокое значение граничной частоты спектра ТВС обусловило применение в ТВ технике быстродействующих АЦП, имеющих максимальную частоту преобразования ~20 ÷100 МГц и более. С высокой контрастной чувствительностью глаза связан выбор разрядности АЦП в ≥ 8 бит. Необходимым требованиям по быстродействию и разрядности удовлетворяют АЦП параллельно – последовательного типов.

В структуре варианта интегральной схемы (ИС) АЦП последовательно-параллельного типа обычно используется несколько последовательно включенных схем АЦП параллельного типа. Например, в ИС АЦП производства фирмы ANALOG DEVICES типа AD9022 накопленное в первом УВХ значение выборки ТВС поступает на первый 5-разрядный (параллельного типа) АЦП. Соответствующий цифровой сигнал (5 бит) одновременно поступает на первый вход схемы цифровой коррекции и на вход первой схемы цифро-аналогового преобразования (ЦАП). В 5-ти разрядном ЦАП этот сигнал преобразуют в аналоговую форму. Полученное при этом приближенное значение выборки вычитается из исходного значения выборки ТВС, накопленной в первом УВХ. Сигнал разности поступает на второе УВХ и далее через усилитель на второй 5-разрядный параллельный АЦП. Значение соответствующей выборки хранится во втором УВХ до тех пор, пока не преобразуется в цифровую форму во втором АЦП. Аналоговым образом цифровой сигнал с выхода второго АЦП параллельно поступает на второй вход схемы цифровой коррекции и на вход второй схемы цифро-аналогового преобразования (ЦАП). В 5-ти разрядном ЦАП этот сигнал преобразуют в аналоговую форму. Полученное при этом приближенное значение выборки вычитается из исходного значения выборки сигнала разности, накопленной во втором УВХ. Сигнал вторичной разности поступает на третье УВХ и далее через усилитель на третий 4-разрядный параллельный АЦП. Значение соответствующей выборки хранится в третьем УВХ до тех пор, пока не преобразуется в цифровую форму в третьем АЦП. Цифровой сигнал с выхода третьего АЦП поступает на третий вход схемы цифровой коррекции, в которой и получают необходимый 12-разрядный результат преобразования. При этом последний АЦП даёт три младших бита оконечного результата и один бит для коррекции погрешностей. Выходной результат считывается на нарастающем фронте тактового сигнала.

Рассмотренный принцип преобразования позволяет значительно снизить число компараторов необходимых для реализации последовательно- параллельного ИС АЦП по отношению к ИС АЦП параллельного типа.

Преимуществом данного варианта построения схемы АЦП является переход к последовательным преобразованиям сигнала разности и коррекциям результата, полученного при первичном использовании малого числа уровней квантования. При этом ошибки преобразования сигналов разности уменьшаются за счет усиления этих разностных сигналов, отражающих различную степень приближения к конечному результату преобразования данной выборки ТВС.

Многоступенчатые АЦП

В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве. В качестве примера на рис.2.11 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

Рис. 2.11. Структурная схема двухступенчатого АЦП

Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.

Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению Uвх(tj). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временнoе запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.