Embed Size (px)
Citation preview
Э Л Е М Е Н Т Н А Я Б А З А Э Л Е К Т Р О Н И К И
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2006
ВВЕДЕНИЕВыбор нужного АЦП для конкретного приложения – задача сложная,если учесть, что на рынке сейчас предлагаются тысячи моделейАЦП. В этой ситуации естественно обращение за помощью к руко-водствам по выбору типа АЦП или к системам автоматизированногопоиска, которые есть на Web-сайте компании Analog Devices. Введянужные параметры АЦП: частоту дискретизации, разрешающую спо-собность, тип сетевого питания и др., вы, как правило, получите неединственный ответ, а список "наилучших вариантов". Возникаетвопрос: можно ли получить однозначный и точный результат?
На рис.1 показана связь области приложений с двумя основны-ми параметрами: частотой дискретизации (Гц) и разрешающей спо-собностью (число разрядов или бит на выборку). Пунктиром обозна-чена примерная "кривая наилучшего выбора" по состоянию на сере-дину 2005 года. Несмотря на то, что в поле основных параметровобласти приложений перекрываются (см. рис.1), ясно, что именноприложения играют ключевую роль в выборе типа требуемого АЦП.
АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ АППРОКСИМАЦИЕЙ СИГНАЛА ДЛЯ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХАЦП с последовательной аппроксимацией сигнала является наибо-лее популярным типом АЦП для систем сбора данных, особенно ко-гда требуется мультиплексирование нескольких каналов данных.Этот тип преобразователей (SAR – successive approximation register)был впервые использован в экспериментальных ламповых ИКМ-сис-темах Лабораториями Белла (США) еще в 1940-х годах.
Сегодня на смену гибридным устройствам 70-х годов пришли со-временные АЦП типа SAR на интегральных схемах (ИС) с разреше-нием 8–18 разрядов и частотой дискретизации несколько мегагерц,
такие как 16-разрядный АЦП AD7621 с частотой дискретизации3 Msps (три миллиона выборок в секунду) и 18-разрядный АЦПAD7641 с частотой дискретизации 2 Msps. Выходные данные с пре-образователей передаются через стандартный последовательныйинтерфейс, например I2C (двухпроводная цифровая последователь-ная шина для соединения ИС) или SPI (последовательный интер-фейс периферийных устройств), хотя ряд устройств используетпараллельный выход (размеры устройств при этом увеличены, из-занеобходимости обеспечить большее число контактов).
Базовая схема АЦП типа SAR приведена на рис. 2. Для того что-бы обрабатывать быстроменяющиеся сигналы, АЦП типа SAR имеютна входе усилители выборки с фиксацией амплитуды (SHA), сохра-няющие сигнал постоянным в течение цикла преобразования.Сначала внутренний ЦАП (цифроаналоговый преобразователь, илиDAC) устанавливается в середину диапазона преобразования. Ком-паратор сравнивает выходы усилителя-фиксатора SHA и преобразо-вателя ЦАП, определяя соотношение (больше или меньше) междуними. Результат, т.е. величина наиболее значащего бита (MSB) пре-образования, запоминается в регистре последовательной аппрокси-мации сигнала (SAR) как "1" или "0".
Затем ЦАП устанавливается на уровне 1/4 или 3/4 диапазона(в зависимости от величины MSB), и компаратор принимает реше-ние относительно величины второго бита/разряда преобразования.Результат ("1" или "0") сохраняется в том же регистре. Процесс про-должается до тех пор, пока не будут определены все разряды. Хотясокращение SAR означает "регистр последовательной аппроксима-ции сигнала" – логический блок, управляющий процессом преобра-зования – оно всеми понимается как обозначение одного из типовАЦП в целом.
Известны три типа современных аналого-цифровых
преобразователей (АЦП, или ADC): с последова-
тельной аппроксимацией сигнала (SAR), типа сиг-
ма-дельта (ΣΣ-∆∆) и конвейерного (поточного) типа
(pipeline). Они широко применяются для таких при-
ложений, как сбор данных, высокоточные измере-
ния, обработка аудио- и видеосигналов, обработка
сигналов промежуточной частоты (ПЧ) и других вы-
сокоскоростных радиоприложений. Грамотно вы-
брать тип АЦП, наиболее подходящий для конкрет-
ного приложения, поможет предлагаемая статья
Уолта Кестера (Walt Kester, компания Analog
Devices), сокращенный перевод которой (опущены
подробные материалы по АЦП типа сигма-дельта)
представлен ниже.
12
Уолт Кестер[email protected]
24
22
20
18
16
14
10 100 1к 10к 100к 1М 10М 100M 1Г
SAR
Конвейерные
Высокоскоростные приложения: измере-ния, видео, цифро-вое радио и др.
Системы сбора данных
Канал тональной частоты иаудиоприложения
Промышленныеизмерения
12
10
8
примерноетекущеесостояние
Частота дискретизации, Гц
Ра
зреш
аю
ща
я сп
осо
бно
сть,
бит
Рис.1. Типы/архитектуры АЦП и их положение в поле основныхпараметров
Временная диаграмма обычного АЦП типа SAR представленана рис. 3. Показанные на рисунке функции, как правило, представ-лены в большинстве АЦП типа SAR, но их точные обозначения могутотличаться от устройства к устройству. Заметим, что данные, соот-ветствующие конкретной выборке, доступны в конце цикла преоб-разования и "потоковая/конвейерная" задержка отсутствует. Этообусловливает легкость использования АЦП типа SAR как для одно-кратных преобразований (single-shot), так и в пакетном режиме пе-редачи (burst-mode), или в приложениях, требующих мультиплекси-рования потоков данных (multiplexed applications).
Процесс внутреннего преобразования наиболее современнойИС АЦП типа SAR управляется с помощью высокоскоростного гене-ратора тактовых импульсов (ГТИ), внутреннего или внешнего, кото-рый не нужно синхронизировать со входом CONVERT START (Началопреобразования).
Основной алгоритм, используемый в процессе работы АЦП с по-следовательной аппроксимацией, похож на решение известной мате-матической головоломки – определение неизвестной массы тела пу-тем минимального числа взвешиваний [1], решенной еще в 1556 го-ду. Для решения предлагалось использовать набор гирь, масса каж-дой из которых вдвое превосходила массу предыдущей. Так, имеянабор 1, 2, 4, 8, 16 и 32 кг гирь (составляющий последовательность20, 21, 22, 23, 24 и 25), можно взвесить тело массой (26-1)=63 кг.
Общая точность и линейность преобразователя АЦП типа SAR оп-ределяется в первую очередь характеристиками внутреннего ЦАП.Первые высокоточные АЦП типа SAR, например промышленныйстандарт типа AD574, для достижения желаемой точности и линей-ности использовали ЦАП с тонкопленочными резисторами лазернойподгонки. Однако процесс выращивания и подгонки резисторов уве-личивает стоимость устройства, а номинал резистора может изме-ниться под действием механических воздействий при упаковке ИС.
По этой причине в новых КМОП АЦП типа SAR стали широко ис-пользовать ЦАП с коммутируемыми конденсаторами (или перерас-пределением заряда). Принципиальное преимущество таких ЦАП –точность и линейность – определяется высокой точностью процес-са фотолитографии, который формирует плоскости/обкладки кон-денсатора, а следовательно, емкость и степень ее соответствияноминалу. Дополнительно можно разместить (параллельно с основ-ными конденсаторами) небольшие конденсаторы, которые под-ключаются или отключаются в процессе работы подпрограмм ав-токалибровки для достижения высокой точности и линейности, чтоисключает необходимость лазерной подгонки номиналов. При этомдостигается высокая температурная стабильность, так как результи-рующий температурный коэффициент емкости (ТКЕ) между конден-саторами может быть лучше, чем 10-6/°С.
КМОП-процесс, используемый при изготовлении современныхАЦП типа SAR, также идеально подходит для формирования анало-говых коммутаторов. Поэтому относительно просто добавить функ-цию входного мультиплексирования к основной функции АЦП типаSAR и интегрировать систему сбора данных целиком на одном кри-сталле. Также легко добавить к АЦП типа SAR и другие цифровыефункции, которые позволят сформировать такие общие для совре-менных АЦП особенности, как установление последовательностимультиплексирования каналов с помощью секвенсора (программно-временного переключателя), цепи автокалибровки и пр.
На рис. 4 показаны элементы блок-схемы серии АЦП типа SAR(AD79x8) с частотой дискретизации 1 Msps. Секвенсор в схеме до-пускает автоматическое преобразование выбранной группы каналовили каналов, адресуемых индивидуально. Данные передаются с по-мощью последовательного порта. АЦП типа SAR популярны в много-канальных системах сбора данных благодаря отсутствию в них"потоковой" задержки, которая типична для АЦП типа "сигма-дель-та" и "конвейерных" АЦП. Режимы преобразования АЦП типа SARвключают: однократные преобразования, преобразования в режимепакетной передачи или в приложениях, требующих непрерывногопотока данных.
КОНВЕЙЕРНЫЕ АЦП ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙВ этой статье мы произвольно определили приложения как высоко-скоростные, если они требуют частоты дискретизации выше 5 Msps.На рис. 1 показано, что существует одна область, где SAR- и конвей-ерные АЦП перекрываются по частоте дискретизации (примерномежду 1 и 5 Msps). Кроме этой небольшой области, высокоскорост-ные приложения, как правило, обслуживаются конвейерными АЦП.Сегодня конвейерные КМОП АЦП малой мощности выбираются нетолько для видео, но и для других приложений. Это отличается
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/200613
SHA
Синхронизация
Сигналначала преоб-
разования
КомпараторАналоговый
вход
ЦАП
Сигналы окончания
преобразования
Системауправления
(SAR)
Выход
Рис.2. Базовая блок-схема АЦП последовательной аппроксимации (SAR)
Данные X Данные X+1
Выборка X
CONVST
EOC,BUSY
Выходныеданные
Время преоб-разования
Время преоб-разования
Отсле-живание/получение
Отсле-живание/получение
Выборка X+1 Выборка X+2
Рис.3. Упрощенная временная диаграмма сигналов АЦП типа SAR
T/H
I/PMUX
VIN0
REFIN
VIN7
8-бит/10/бит/12-бит АЦП
типа SAR
Схемауправления
GND
AVDD
VDRIVE
AD7908/AD7918/AD7928
SCLK
DOUT
DIN
CS
По
след
ова
тель
ный
инте
рф
ейс
8 входныхканалов
Секвенсор
Рис. 4. Блок-схема современного АЦП типа SAR с 8-разрядным мульти-плексором на входе для AD7908 (8-бит), AD7918 (10-бит) и AD7928 (12-бит)
от ситуации 1980-х годов, когда видеоприложения обслужива-лись или быстродействующими флэш-АЦП (доминирующими были8-разрядные АЦП с частотой дискретизации между 15 и 100 Msps),или (для приложений, требующих большего разрешения) более до-рогими гибридно-модульными решениями. Хотя флэш-АЦП с малымразрешением остаются важными функциональными блоками дляконвейерных АЦП, они редко используются как автономные уст-ройства, за исключением очень высоких частот дискретизации –обычно больше, чем 1–2 ГГц (при требуемом разрешении не выше6–8 разрядов).
Сегодня высокоскоростные АЦП требуются целому ряду инстру-ментальных приложений: цифровым осциллографам, спектроанали-заторам и устройствам формирования медицинских изображений.Другая группа приложений, требующих высокоскоростных АЦП,это видео, радары, связь. Сюда относятся ПЧ-дискретизация, про-граммно-перестраиваемое радио (SDR), базовые станции, декоде-ры КТВ и т.д., а также бытовая электроника – цифровые камеры,системы отображения информации (СОИ), DVD, ТВ высокого качест-ва (ТВК) и высокой четкости (ТВЧ).
Конвейерные (потоковые) АЦП берут свое начало в каскадной ар-хитектуре, первоначально используемой в 1950-х годах. Блок-схемапростого 6-разрядного (разделенного на два каскада) АЦП показанана рис. 5.
Выход усилителя SHA оцифровывается первым каскадом 3-раз-рядного субАЦП (SADC) – обычно это флэш-АЦП. Это грубое 3-раз-рядное преобразование (формирующее MSB) преобразуется обрат-но в аналоговый сигнал, используя 3-разрядный субЦАП (SDAC).Затем выходной сигнал преобразователя SDAC вычитается из вы-ходного сигнала SHA, разностный сигнал усиливается, и этот "оста-точный сигнал" оцифровывается вторым каскадом 3-разрядногоSADC, чтобы сгенерировать три LSB для окончательного формиро-вания 6-разрядного выходного слова.
Каскадный АЦП можно оценить, анализируя форму остаточногосигнала перед входом второго каскада АЦП, как показано на рис. 6.Эта форма типична для низкочастотного пилообразного сигнала,приложенного к аналоговому входу данного АЦП. Для того чтобы не
было пропущенных кодов, остаточный сигнал не должен превышатьвходной диапазон второго каскада АЦП, как показано на рис. 6а дляидеального случая. При этом подразумевается, что как N1-разряд-ный SADC, так и N1-разрядный SDAC должны иметь точность лучше,чем (N1+N2)-разрядный АЦП. В нашем случае N1=3, N2=3 иN1+N2=6. На рис. 6б показана ситуация, которая приводит к появ-лению пропущенных кодов, когда остаточный сигнал выходитза пределы диапазона N2 SADC, помеченного как "R", и лежит в пре-делах зон "X" или "Y", что может быть вызвано нелинейностью N1SADC или несогласованностью усиления между каскадами и/илисмещением рабочей точки. В этих условиях выходной сигнал такогоАЦП может выглядеть так, как показано на рис. 7.
Рассмотренная архитектура имеет смысл при разрешающей спо-собности до 8 разрядов (N1=N2=4), так как поддерживать выравни-вание между двумя каскадами лучше, чем на этом уровне, будеттрудно (в частности из-за температурных изменений). Нужно отме-тить, что в этой каскадной архитектуре нет конкретных требованийна одинаковое число разрядов, приходящихся на один каскад. Одна-ко число каскадов может быть больше двух. Тем не менее, архитек-тура на рис. 5 ограничена примерно 8 разрядами, если не исполь-зуется коррекция ошибок.
Архитектура каскадного АЦП с коррекцией ошибок появиласьв середине 1960-х годов как эффективное средство достижениявысокой разрешающей способности. Но использование основ-ной каскадной архитектуры при этом продолжалось. В двухкаскад-ном 6-разрядном АЦП, например, один дополнительный разряддобавляется во втором каскаде АЦП, что позволяет оцифровыватьзоны, показанные как "X" и "Y" на рис. 6. Дополнительные зоныу второго каскада АЦП допускают отклонение остаточного сигналаот идеального значения при условии, что оно не превысит предель-ный диапазон второго каскада АЦП. Однако внутренний SDAC дол-жен иметь разрешающую способность, большую, чем общая разре-шающая способность N1+N2.
Основная блок-схема 6-разрядного каскадного АЦП с коррекци-ей ошибок показана на рис. 8. Разрешающая способность второгокаскада в нем увеличена до 4 разрядов, тогда как изначально она со-ставляла 3 разряда. Дополнительная логика, требуемая для моди-фикации результатов N1 SADC, когда остаточный сигнал попадаетв зоны "X" или "Y", осуществляется с помощью простого сумматораи напряжения смещения постоянного тока, добавленного к остаточ-ному сигналу. В этом варианте реализации MSB второго каскадаSADC управляет тем, будут ли MSB инкрементироваться на 001 илибудут передаваться немодифицированными.
Нужно заметить, что во втором каскаде АЦП можно использоватьбольше одного корректирующего разряда. Эта альтернатива, как
Э Л Е М Е Н Т Н А Я Б А З А Э Л Е К Т Р О Н И К И
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2006 14
Остаточныйсигнал
–
+
G
ВЫХОДНОЙ РЕГИСТР
N1 MSB (3)
Выход данных, N-биты = N1 + N2 = 3 + 3 = 6
N2 LSB (3)
Аналоговыйвход
Выборка ификсация
N1-бит(3-бит.)SADC
N1-бит(3-бит.)SDAC
N2-бит(3-бит.)SADC
УправлениеСинхронизация
выборки
Рис.5. Шестиразрядный двухкаскадный АЦП
Пропущенные коды
Пропущенные коды
(A)Идеальный
N1 SADC
(B)Нелинейный
N1 SADC
R = Диапазониз N2 SADC
X
Y
R
Рис. 6. Вид остаточного сигнала на входе второго каскада SADC
Циф
ро
вой
выхо
д
Аналоговый вход
"Склейки"
"Склейки"
"Скачки"
Пропущенныекоды
Пропущенныекоды
"Скачки"
Рис. 7. Пропущенные коды, вызванные нелинейностью АЦП илинесогласованностью усиления между каскадами
часть процесса проектирования преобразователя, здесь не рассмат-ривается.
Каскадный АЦП с коррекцией ошибок, показанный на рис. 8, неимеет потоковой задержки. Входной усилитель SHA остается в ре-жиме фиксации в течение времени, требуемого для совершенияследующих событий: первый каскад SADC принимает решение, еговыход реконструируется первым каскадом SDAC, выходной сигналSDAC вычитается из выходного сигнала SHA, усиливается и оцифро-вывается вторым каскадом SADC. После того, как цифровые данныепроходят через логические схемы коррекции ошибок и выходныерегистры, их можно использовать, а преобразователь готов для вво-да другой выборки.
Для увеличения скорости основного каскадного АЦП чаще всегоиспользуется "конвейерная" (pipelined) архитектура, показанная нарис. 9. Такой конвейерный АЦП имеет каскадную архитектуру с циф-ровой коррекцией, в которой каждые два каскада обрабатываютданные в течение половины цикла преобразования, а затем переда-ют остаточный выходной сигнал на следующий каскад "конвейера"перед тем, как наступит следующая фаза периода дискретизации.Межкаскадный следящий усилитель с фиксацией (T/H) играет рольаналоговой линии задержки, которая переводится в режим фикса-ции сигнала тогда, когда закончится преобразование в первомкаскаде. Это увеличивает отрезок времени, выделяемый на установ-ление сигнала для внутренних преобразователей SADC, SDAC и уси-лителей, и допускает работу конвейерного преобразователя с суще-ственно большими скоростями дискретизации в целом по сравне-нию с неконвейерной версией.
Существует ряд компромиссов, которые могут быть приняты припроектировании конвейерного АЦП. Они касаются выбора числа кас-кадов, числа разрядов на один каскад, числа корректирующих раз-рядов и синхронизации фаз процесса. Для того чтобы обеспечитьодновременный приход цифровых данных (соответствующих опре-деленным выборкам) от отдельных каскадов на логическую схемукоррекции ошибок, нужно добавить надлежащее число регистровсдвига на выход каждого конвейерного каскада. Например, еслипервый каскад требует семи регистровых задержек, то следующийкаскад – шести, следующий за ним – пяти и т.д. Это добавляетк окончательно сформированным выходным данным задержку циф-рового конвейера. Синхронизация типичного конвейерного АЦПAD9235 показана на рис. 10.
Для 12-разрядного АЦП AD9235 с частотой дискретизации65 Msps конвейерная задержка равна семи тактовым периодам (онаиногда называется запаздыванием – latency). Это запаздывание,в зависимости от приложений, может создавать (или не создавать)проблемы. Если АЦП используется в цепи обратной связи системыуправления, запаздывание может вызвать проблемы. В этом случае,находясь в зоне перекрытия (см. рис. 1), лучше выбрать архитекту-ру с последовательной аппроксимацией сигнала. Запаздывание так-же затрудняет использование конвейерных АЦП в приложениях, тре-бующих мультиплексирования. Однако в массовых приложениях,для которых частотная характеристика более важна, чем время уста-новления, вопрос с запаздыванием в действительности не так серь-езен.
Более тонкий вопрос для большинства КМОП конвейерных АЦП –их показатели при низких частотах дискретизации. Благодаря тому,что внутренняя синхронизация в общем случае управляется внеш-ним тактом с частотой дискретизации, очень низкие частоты дис-кретизации увеличивают время фиксации для внутренних усилите-лей слежения и фиксации до таких величин, когда избыточный на-клон (вызванный уменьшением уровня зафиксированного сигнала)приводит к ошибкам преобразования. Поэтому для большинства
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/200615
–
+
SADCN1 бит
SDACN1 бит–
+T/H
–
+
–
+T/H,1 T/H,2
К схемам коррекции ошибок
SADCN2 бит
SDACN2 бит
Рис. 9. Обобщенные конвейерные каскады, использующие субАЦПс коррекцией ошибок
N–9 N–8 N–7 N–6 N–5 N–4 N–3 N–2 N–1 N
N–1
NN+1
N+2
N+3
N+4N+5 N+6
N+7
N+8
Аналоговыйвход
Синхронизация
Выходданных
t OD = 6,0 нс макс. 2,0 нс мин.
Конвейерная задержка (запаздывание) – 7 тактов
Рис.10. Синхронизация типичного конвейерного АЦП (12 разрядов, 65 Msps, AD9235)
Остаточныйсигнал
Смещение
–
+N1
3-бит.SADC
G
MSB
Перенос
Выходной регистр и схема обработки выхода сигнала за границы диапазона
Сумматор (+ 001)
Выход данных
Ана
лого
вый
вхо
д Выборка ификсация
Управление
Смещение
Син
хро
низа
ция
выб
ор
ки
N13-бит.SDAC
N24-бит.SADC
Рис. 8. Шестиразрядный каскадный АЦП с коррекцией ошибок (N1=3, N2=4)
конвейерных АЦП в спецификации указывается как максимальная,так и минимальная скорости дискретизации. Очевидно, что это пре-пятствует их работе в приложениях, использующих однократные имонопольные пакетные режимы преобразования, для которых болееудобно использовать архитектуру АЦП типа SAR.
Наконец, важно подчеркнуть различие между каскадными и кон-вейерными АЦП. Из рассуждений, приведенных выше, следует: не-смотря на то, что конвейерные АЦП в общем случае используют кас-кадирование (как правило, с коррекцией ошибок), каскадные АЦП недолжны обязательно быть конвейерными. Фактически, конвейернаякаскадная архитектура является доминирующей благодаря требова-ниям на высокую частоту дискретизации, когда внутреннее времяустановления сигнала исключительно важно.
Конвейерные АЦП, доступные сегодня, имеют разрешающуюспособность 14 разрядов и частоту дискретизации выше 100 МГц.Они идеальны для многих приложений, которые требуют не тольковысокую частоту дискретизации, но и высокое отношение сиг-нал/шум (SNR) и неискаженный динамический диапазон (SFDR).Одно из широко распространенных приложений этих преобразова-телей сегодня – программно-перестраиваемое (цифровое) радио(SDR) – технология, которая используется современными базовымистанциями для сотовых телефонов.
На рис. 11 показаны упрощенные диаграммы базовых про-граммно перестраиваемых цифровых радиоприемника и радиопе-редатчика. Существенная особенность их в том, что АЦП в прием-нике оцифровывает не каждый канал отдельно, а непосредственновсю ширину полосы, содержащую много каналов. Общая полосаможет быть до 20 МГц в зависимости от стандарта. Фильтрация ка-налов, настройка и выделение каналов осуществляются цифровымспособом в процессоре принимаемого сигнала (RSP) с помощью
высокопроизводительного цифрового сигнального процессо-ра (DSP).
Оцифровка полосы частот в случае относительно высокой проме-жуточной частоты устраняет несколько ступеней преобразованияс понижением частоты. Это приводит к более гибкому и дешевомурешению, при котором большая часть обработки сигнала осуществ-ляется в цифровом виде, а не с помощью более сложных аналого-вых методов, соответствующих схеме супергетеродинного радио-приема. Кроме того, используя ту же аппаратную часть, можно,путем соответствующих изменений в программном обеспечении,обрабатывать различные стандарты сотовой связи (GSM, CDMA,EDGE и др.). Заметим, что передатчик в программно перестраивае-мом радио использует процессор передаваемого сигнала (TSP) иDSP для формирования отдельных каналов с целью передачи с по-вышением частоты через ЦАП.
Требования к АЦП для приемника определяются соответствую-щими стандартами связи, которые данный приемник должен обра-батывать. Частоты в полосе, представленной АЦП, состоят из полез-ных сигналов и довольно больших по амплитуде сигналов от источ-ников помех или блокировочных устройств. АЦП при этом не долженгенерировать интермодуляционные сигналы от блокировочных уст-ройств, так как они могут маскировать полезные сигналы меньшегоуровня. Отношение наибольшего ожидаемого сигнала блокирующе-го устройства к минимальному ожидаемому сигналу определяет,в основном, требуемый неискаженный динамический диапазон(SFDR). Наряду с этим достаточно большим значением SFDR АЦПдолжен иметь отношение сигнал/шум (SNR), сопоставимое с тре-буемой чувствительностью приемника.
Другим требованием является то, что такой АЦП должен удовле-творять спецификациям на уровень SFDR и SNR, принятым для же-лаемой ПЧ. Основная концепция дискретизации ПЧ показана нарис.12, где полоса сигнала шириной в 20 МГц оцифровывается счастотой дискретизации 60 Msps. Обратите внимание на то, как про-цесс ПЧ-дискретизации сдвигает сигнал из третьей зоны Найквистак основной полосе, не прибегая к аналоговому преобразованиюс понижением частоты. Полоса частот рассматриваемого сигналанаходится в центре третьей зоны Найквиста симметрично частотеПЧ 75 МГц. Числа, выбранные для этого примера, в чем-то произ-вольные, но они иллюстрируют концепцию субдискретизации. Этиприложения накладывают серьезные требования на производитель-ность АЦП, особенно в отношении к SNR и SFDR. Современные кон-вейерные АЦП, такие как 14-разрядный AD9444 с частотой дискре-тизации 80 Msps, могут удовлетворить эти жесткие требования. На-пример, у AD9444 SFDR=97 дБ (по отношению к уровню несущей), аSNR=73 дБ с ПЧ-входом 70 МГц. Входная полоса частот AD9444 рав-на 650 МГц. Другими 14-разрядными АЦП, оптимизированнымипо отношению к SFDR и/или SNR, являются AD9445 и AD9446.
ВЫВОДЫМы рассмотрели подробно два (из трех широко используемых в со-временных интегральных АЦП) типа архитектур: последовательнойаппроксимации (SAR) и конвейерной.
Последовательная аппроксимация используется почти во всехсистемах сбора данных с мультиплексированием на входе, а такжево многих инструментальных приложениях. Преобразователи АЦПтипа SAR просты в применении, не имеют потоковой (конвейерной)задержки, их разрешающая способность – до 18 разрядов, а часто-та дискретизации до 3 Msps.
Для широкого круга промышленных измерительных приложенийидеально подходят сигма-дельта АЦП. Они могут иметь разрешаю-
Э Л Е М Е Н Т Н А Я Б А З А Э Л Е К Т Р О Н И К И
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2006 16
ПФ
ПЧ
RF
LO
Смеситель
АЦП RSP,DSP
Ка
налы
LNAПФ
Приемник
ПФ
ПЧ
RF
ПередатчикLO
Смеситель
ЦАП TSP,DSP
Ка
налы
PAПФ
Рис.11. Программно управляемые радиоприемник и радиопередатчикс ПЧ-дискретизацией
Зона 1 Зона 2 Зона 3
ПЧ
0 15 30 45 60
fS = 60 Msps
75 90f, МГцПЧ = 75 МГц
Сигнал BW = 20 МГц
Рис. 12. Положение выборок сигнала с полосой 20 МГц при ПЧ 75 МГци частоте дискретизации 60 Msps
щую способность от 12 до 24 разрядов. Сигма-дельта АЦП удобныдля широкого круга приложений, связанных с датчиками, монито-рингом потребления энергии и с управлением двигателями. Во мно-гих случаях высокое разрешение и добавление на чип массива PGAдопускает использование прямой связи между датчиком и АЦП безвсяких инструментальных усилителей или других схем, формирую-щих нужные условия.
Сигма-дельта АЦП и ЦАП легко интегрируются в ИС, поддержи-вающих высокий уровень цифровой функциональности, а также доми-нируют в области голосовых и аудиоприложений. Использованиевнутренней процедуры передискретизации (oversampling) в этих пре-образователях существенно ослабляет требования к фильтрам защи-ты от наложения спектров АЦП и фильтрам восстановления ЦАП.
При частотах дискретизации, больших чем примерно 5 Msps,доминирует конвейерная архитектура. Использующие ее приложе-ния обычно требуют разрешения до 14 разрядов с высокими значе-ниями SFDR и SNR при частотах дискретизации от 5 до 100 Msps.Этот тип АЦП используется во многих инструментальных приложе-ниях (цифровые осциллографы, спектроанализаторы и устройстваформирования медицинских изображений). Другие приложениявключают: видео, радары и связь (ПЧ-дискретизация, SDR, базовыестанции и декодеры КТВ и т.д.) и бытовую электронику (цифровыекамеры, СОИ, DVD, ТВК и ТВЧ).
Использование руководств по выбору АЦП и параметрическихпоисковых систем, а также базовые знания трех основных типов/ар-хитектур АЦП, должно помочь проектировщику выбрать нужный АЦПдля данного приложения. Программа Analog Devices "ADIsimADC"дает пользователям возможность оценить динамические характери-стики АЦП без применения аппаратных средств. Требуемое ПО имодели АЦП (а также модели других аналоговых и цифровых уст-ройств) можно загрузить с сайта http://www.analog.com. Эти средст-ва могут быть очень полезны в процессе выбора АЦП.
Нельзя упускать из виду и готовые проектные решения для схемвходных и выходных цепей, а также цепей синхронизации для АЦП.Нужны и ценные указания, которые вы найдете в спецификациях изаметках по применению АЦП. Детально ознакомиться с этими идругими вопросами, касающимися АЦП/ЦАП и их применения,можно,используя материалы [1, 2], а также информацию, представленнуюна сайте компании Analog Devices: http://www.analog.com.
ЛИТЕРАТУРА1. WWaalltt KKeesstteerr, Editor. Data Conversion Handbook. – Newnes, animprint of Elsevier, 2005.2. WWaalltt JJuunngg, Editor. Op Amp Applications Handbook. – Newnes,an imprint of Elsevier, 2005.
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/200617
