Аналого-цифровые преобразователи

Алгоритм аналого-цифрового преобразования

Алгоритм аналого-цифрового преобразования включает в себя следующие этапы:

–     выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые дискретные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала по времени;

–     округление полученной в некоторые моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины до некоторых известных величин, т.е. квантование сигнала по уровню;

–     замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами, т.е. кодирование сигнала.

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой представлен на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 – Преобразование аналогового сигнала в цифровой

 

Здесь задана аналоговая последовательность U(t). Для получения ее дискретного эквивалента, необходимо выбрать отдельные ее значения через промежутки времени Т_Д. Величина Т_Д называется периодом дискретизации, соответственно процесс замены исходной аналоговой функции U(t) дискретной функцией U(nT_Д) – дискретизацией.

Полученная функция по-прежнему носит аналоговый характер, так как может принимать бесконечное число различных значений.

Операция квантования по уровню дискретной функции U(nT_Д) заключается в отображении бесконечного множества ее значений на некоторое конечное множество значений U^*_n, называемых уровнями квантования. Для выполнения данной операции весь динамический диапазон изменения дискретной функции U(nT_Д) разбивают на некоторое заданное число уровней N и производят округление каждой величины U(nTД) до ближайшего уровня       U^*_n. Разница между двумя соседними уровнями называется шагом квантования h.

Для выполнения последнего этапа преобразования необходимо выбрать код, который способен отражать не менее (N+1) -го значений и каждому дискретному значению U^*_n   сопоставить некоторый код.

Анализируя данный алгоритм, можно заметить, что процесс преобразования сопряжен с потерей части информации об исходном сигнале при переходе от непрерывной функции к дискретной. Кроме того, процесс квантования сигнала вносит в преобразование некоторую погрешность ε_i, которая называется шумом квантования. Для устранения данных погрешностей необходимо повышать частоту дискретизации и разрядность АЦП.

 

Характеристики АЦП

Микросхемы АЦП, как и любые другие, характеризуются широким спектром различных параметров, начиная от диапазона рабочих температур и заканчивая размером микросхемы. Данные характеристики указываются в документации на конкретную микросхему и должны быть учтены при проектировании реальных устройств.

В каталогах микросхем производители обычно указывают следующие параметры:

–     разрядность (4 – 31 бит);

–     число выборок в секунду (до 3,6GSPS);

–     число каналов (1 – 64) – число аналоговых входов;

–     поддерживаемый интерфейс (SPI, I²C, LVDS);

–     напряжение питания (униполярное/биполярное) и опорное напряжение (от нескольких до пары десятков вольт);

–     диапазон входного сигнала;

–     потребляемая мощность (до нескольких десятых долей микроватт);

–     цена (самые дешевые АЦП могут стоить меньше доллара; цена микросхем, применяемых в военной и космической отраслях, может достигать нескольких тысяч долларов).

В таблице 2.1 приведены несколько примеров микросхем АЦП, предлагаемых различными производителями.

 

Архитектура АЦП

Аналого-цифровые преобразователи подразделяются на два больших класса [6]:

–     работающие на частоте Найквиста (Nyquist-rate);

–     с передискретизацией (oversampling).

Различия между данными подходами показаны на рисунке 2.2. Здесь спектр частот входного сигнала ограничен частотой f_B. Согласно теореме Найквиста-Шеннона (теореме Котельникова), для его восстановления с наперед заданной погрешностью, необходимо дискретизировать его с частотой f_s > 2·f_B (fs = 2·fB называется частотой Найквиста). Как видно из рисунка 2.2, с ростом частоты дискретизации увеличивается защита от наложения спектров, что снижает шум квантования. Частота передискретизации может в несколько десятков раз превышать частоту Найквиста.

 

Рисунок 2.2 – Сравнение подходов к выбору частоты дискретизации

 

Таким образом, в АЦП первого класса алгоритм преобразования должен быть выполнен за один или несколько периодов дискретизации (цикл), в зависимости от спектра частот входного сигнала; АЦП второго класса позволяют затратить на преобразование несколько десятков циклов. Отсюда вытекает основное отличие между преобразователями: АЦП с передискретизацией обладают большей разрядностью, по сравнению с АЦП, работающими на частоте Найквиста; однако их быстродействие меньше. Типовые архитектуры АЦП рассмотрены ниже.

Таблица 2.1 – Параметры микросхем АЦП различных производителей [7 – 10]

Производитель	Наименование	Архитектура	Разрядность, бит	Число выборок, SPS	Число каналов	Поддерж. интерфейс	Цена,
Analog Devices	AD9484	Конвейерная	8	1G	1	Par	$36
	AD7995	Послед. прибл.	10	140K	4	I2C/2-Wire	$1,8
	AD6672	Конвейерная	11	250M	1	LVDS	$44,2
	AD10465	Конвейерная	14	65M	2	Par	$754,46
	AD7856	Послед. прибл.	14	285K	8	SPI	$10,2
	AD7714	Сигма-дельта	24	1K	5	SPI	$8,38
Texas Instruments	TLC5510A	Флеш	8	20M	1	Par CMOS	$2,35
	ADS7961	Послед. прибл.	8	1M	16	SPI	$2,25
	THS1007	Конвейерная	10	6M	4	Par CMOS	$4,6
	ADC12D1800		12	3,6G	2		$100
	ADS5400-SP	Конвейерная	12	1G	1	LVDS, SPI	$9500,24
	ADS8284	Послед. прибл.	18	1M	4	Par CMOS	$22
	DDC264	Сигма-дельта	20	6,25K	64		$99
	ADS1282	Сигма-дельта	31	4K	2	SPI	$34,5
MAXIM	MAX11642	Послед. прибл.	8	300K	16	SPI	$2,2
	MAX11101	Послед. прибл.	14	200K	1	Micro wire, QSPI, SPI	$3,55
	MAX1401	Сигма-дельта	18	4,8K	5	SPI	$14
	MAX11202	Сигма-дельта	24	0,12K	1	SPI	$2,45
Linear Technology	LTC2288	Конвейерная	10	65M	2	Par CMOS
	LTC2153-12	Конвейерная	12	310M	1	LVDS
	LTC2497	Сигма-дельта	16		16	I2С
	LTC2446	Сигма-дельта	24		8	PIS