Параллельно-последовательные АЦП

Параллельно-последовательные АЦП (ППАЦП) относятся к преобразователям комбинированного типа. Термин «комбинированный» в названии преобразователей этой группы подчеркивает, что их структуры скомбинированы из нескольких АЦП. Целью построения комбинированных АЦП является получение многоразрядного выходного кода при использовании в структуре нескольких малоразрядных АЦП. Комбинированные АЦП получили широкое распространение после начала выпуска интегральных параллельных АЦП. При использовании в составе комбинированных структур таких БИС АЦП удается получить в целом многоразрядный преобразователь при сравнительно небольших общих аппаратных затратах и с относительно малым временем преобразования (большим, чем у параллельных АЦП, но меньшим, чем у уравновешивающих АЦП).

Комбинированные АЦП (в том числе и ППАЦП) называют еще многоканальными или многоотсчетными. Это связано с тем, что структура комбинированных АЦП всегда представляется в виде нескольких каналов, а выходной код в них формируется из отдельных отсчетов этих каналов.

Структура ППАЦП показана на рис. 1. Ее работа осуществляется следующим образом.

Рисунок 1. Структурная схема параллельно-последовательного АЦП.

Входное напряжение U_ВХ с помощью БИС АЦП1 преобразуется в n -разрядный код N1, который является грубым цифровым представлением этого входного напряжения. Данный код определяет старшие разряды выходного кода N_ВЫХ ППАЦП. С помощью ЦАП формируется точный аналоговый эквивалент кода N1 и на выходе аналогового вычитателя формируется разностное напряжение ΔU, соответствующее погрешности представления входного напряжения кодом N1. Т. к. максимальная погрешность представления входного напряжения U_ВХ кодом N1 равна весу младшего разряда БИС АЦП1 (кванту дискретизации АЦП1), то и максимальная величина разностного сигнала ΔU_МАХ определяется весом младшего разряда БИС АЦП1, т. е. ΔU_МАХ = U_{ВХ МАХ} / 2ⁿ, где n – разрядность БИС АЦП1.

Разностный сигнал DU перед подачей на вход БИС АЦП2 усиливается так, чтобы максимальный уровень разностного сигнала соответствовал бы диапазону работы БИС АЦП2. Тем самым ставится соответствие между весом младшего разряда кода N1 БИС АЦП1 и суммой всех весов БИС АЦП2. При этом веса кодов БИС АЦП1 и БИС АЦП2 будут распределены так, что эти коды можно будет считать частями одного кода – эти коды будут составлять старшую и младшую (грубую и точную) части выходного кода ППАЦП N_ВЫХ. Иными словами, выходной код N_вых устройства получается путем его составления из двух частей – старшей (код N1) и младшей части (кода N2). Если у БИС АЦП1 и АЦП2 диапазоны входных напряжений одинаковы и они равны диапазону изменения входного сигнала, т. е. U_{ВХ МАХ} = U_{ВХ.АЦП1 МАХ} = U_{ВХ.АЦП2 МАХ}, то усиление разностного сигнала ΔU для получения такого соответствия должно производиться в 2ⁿ раз. Если у БИС АЦП1 и АЦП2 диапазоны входных напряжений различны, то коэффициент усиления K_У разностного сигнала выбирается следующим образом:

K_У = 2ⁿ (U_{ВХ.АЦП2 МАХ} / U_{ВХ.АЦП1 МАХ}). (1)

Элементы, формирующие код N1, называют старшей (первой или грубой) ступенью преобразования, а элементы, формирующие код N2, – младшей (второй или точной) ступенью. Часто вместо термина «ступени» пользуются термином «каналы». Количество ступеней в структуре ППАЦП может быть и больше двух. С одной стороны их количество определяется получением необходимой разрядности N_ВЫХ и разрядностью применяемых БИС АЦП, с другой стороны оно ограничивается сложностью построения и наладки устройства.

Сравним реализации АЦП на основе параллельно-последовательной и параллельной структуры. Что мы выигрываем в результате использования схемы ППАЦП по сравнению с параллельной? Представим, что нам надо получить преобразователь с 12-ти разрядным выходным кодом. При использовании двухступенчатого ППАЦП, каждая из двух 6-ти разрядных БИС АЦП будет содержать 2⁶ = 64 компаратора. 12-ти разрядная схема параллельного АЦП должна содержать 2¹² = 4 096 компараторов. Т. е. выигрыш по сложности реализации схемы очевиден. 12-ти разрядный параллельный АЦП в изготовлении настолько сложен, что такие БИС выпускается лишь в нескольких интегральных сериях. Даже если Вы найдете БИС 12-ти разрядного параллельного АЦП, скорей всего по стоимости она будет превышать стоимость аппаратных средств такой же по разрядности схемы ППАЦП. Если Вам будет нужен достаточно быстрый преобразователь с разрядностью более 12-ти двоичных разрядов, обзор интегральной техники показывает, что Вы должны будете остановить свой выбор на параллельно-последовательной схеме.

ППАЦП будет явно проигрывать параллельному АЦП по быстродействию, но насколько? Прежде чем мы сможем сформировать на выходе ППАЦП двоичный код, необходимо чтобы сигнал был преобразован в цифровую форму БИС АЦП1, снова преобразован в аналоговую форму ЦАП. Затем должен быть сформирован и усилен разностный сигнал, и этот сигнал должен быть снова оцифрован с помощью БИС АЦП2. В результате описанных действий время преобразования входного аналогового сигнала в ППАЦП по сравнению с параллельным АЦП будет больше, по крайней мере, в несколько раз. Элементами в основном ограничивающими быстродействие параллельно-последовательной схемы ППАЦП являются ЦАП и разностный усилитель.

В силу сложности, а точнее большой насыщенности кристалла БИС параллельных АЦП, такие интегральные схемы (особенно в первые годы их появления) всегда отличались высокой стоимостью. Это привело к разработке структур многотактных ППАЦП. В многотактных АЦП, построенных на основе общих принципов, заложенных в основу построения ППАЦП, формирование частей выходного кода N_ВЫХ производится последовательно во времени с помощью одной БИС АЦП. Структура многотактного ППАЦП представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема многотактного параллельно-последовательно АЦП.

На первом такте работы многотактного ППАЦП с помощью БИС АЦП1 производится формирование кода N1 (старших разрядов кода N_ВЫХ), с помощью ЦАП и разностного усилителя получается разностный сигнал ΔU. Разностный сигнал запоминается в устройстве выборки и хранения (УВХ) и через входной аналоговый мультиплексор S подается на вход БИС АЦП1. На втором такте работы многотактного ППАЦП с помощью БИС АЦП1 кодируется разностный сигнал ΔU и получается код N2 (младших разрядов кода N_ВЫХ).

Количество тактов работы многотактного ППАЦП, как и число ступеней в базовой структуре ППАЦП может быть больше двух. Однако в этом случае количество УВХ должно быть увеличено до двух. Одно из УВХ будет использоваться в текущем такте как источник сигнала, с которого разностный сигнал подается на вход АЦП1, в другое УВХ на текущем такте будет записываться, получаемый на этом такте разностный сигнал. В следующем такте функции этих УВХ будут меняться.

Как и в случае с параллельным АЦП, быстродействие всей схемы ППАЦП в целом может быть увеличено за счет применения конвейерной обработки. Достаточно разбить алгоритм преобразования на несколько этапов, которые могут выполняться одновременно. В цифровой части преобразователя разбиение на этапы производится при помощи параллельных регистров. В аналоговой части для этой цели служат УВХ. На БИС АЦП, регистры и на УВХ подаются тактирующие сигналы. Их частота равна частоте дискретизации входного аналогового сигнала U_ВХ. Структурная схема конвейерного ППАЦП приведена на рис. 3.

Рисунок 3. Структурная схема конвейерного параллельно-последовательного АЦП.

В этой схеме, пока осуществляется преобразование в цифровую форму разностного сигнала (получение кода N2), формируется разностный сигнал следующего отсчета сигнала. Пока формируется разностный сигнал следующего отсчета сигнала, осуществляется формирование старших разрядов выходного кода (кода N1). При этом необходимо совместить во времени сформированные коды N1 и N2 первой и второй ступени (коды грубого и точного каналов). Это осуществляется за счет задержки кодов N1 в цифровой линии задержки, реализованной на параллельных регистрах.

В приведенной на рис. 3 схеме, первый выходной отсчет N_ВЫХ входного сигнала U_ВХ появится только через три периода тактирующих сигналов. Все последующие отсчеты входного сигнала U_ВХ будут появляться с каждым очередным тактирующим сигналом.

Использование УВХ накладывает определенные ограничения на использование конвейерных структур. Т. к. время хранения напряжения в УВХ ограничено, то точность преобразования конвейерных ППАЦП будет сохраняться лишь при достаточно высоком темпе их работы.

Рассмотрение работы всех вариантов реализации ППАЦП пока велось без учета инструментальных погрешностей структурных элементов. В рассмотрении работы пока исходили из условия, что входное напряжение U_ВХ за время кодирования не меняется больше чем на вес младшего разряда выходного кода N_ВЫХ.