Глава 14. Виды аналого-цифровых преобразователей

Как уже упоминалось выше по тексту, аналого-цифровые преобразователи сигналов используются в различных устройствах. Это означает, что к ним предъявляются требования, отличающиеся по быстродействию, количеству разрядов, потребляемой энергии, габаритам и т.д. В настоящее время не существует устройств, обладающих одинаково хорошими характеристиками по всем этим требованиям.

Одни преобразователи обладают прекрасным быстродействием, но большим потреблением энергии, другие обладают прекрасными характеристиками по разрядности, но их быстродействие оставляет желать лучшего.

Рассмотрим внутреннее устройство некоторых наиболее распространенных аналого-цифровых преобразователей.

Параллельные АЦП

Простейшим по пониманию принципов работы (но отнюдь не по внутреннему устройству) является параллельный аналого-цифровой преобразователь.

Рассмотрим его работу на примере схемы трехразрядного параллельного АЦП, приведенной на рис. 14.1.

Рис.14.1. Принципиальная схема трехразрядного параллельного АЦП

В этой схеме аналоговый сигнал U_вх подается на соответствующий вход АЦП. Одновременно на другой его вход подается опорное напряжение U_REF. Это напряжение при помощи резистивного делителя, состоящего из резисторов с одинаковым сопротивлением, делится на семь одинаковых уровней.

Основой параллельного преобразователя являются семь аналоговых компараторов, которые сравнивают входной сигнал с опорным напряжением, подаваемым на их второй вход. Аналоговые компараторы представляют собой обычные усилители-ограничители с дифференциальным входом.

Если напряжение на входе преобразователя меньше всех напряжений, подаваемых на опорные входы компараторов, то на всех выходах формируются нулевые уровни сигналов. Код на выходе линейки компараторов будет равен 0000000.

Постепенно повышая уровень входного сигнала можно превысить напряжение на опорном входе нижнего компаратора. В этом случае на его выходе сформируется уровень логической единицы. Код на выходе линейки компараторов примет значение 0000001. При дальнейшем увеличении уровня сигнала на входе АЦП код будет принимать значения 0000011, 0000111, и так далее. Максимальное значение кода 1111111 будет выдано на выходе аналого-цифрового преобразователя при превышении входным сигналом значения сигнала на опорном входе самого верхнего компаратора.

Итак, мы достигли напряжения полной шкалы аналого-цифрового преобразователя. Однако, как вы заметили, код, получаемый на выходе линейки компараторов, не является двоичным, поэтому для его приведения к двоичному виду потребуется специальная цифровая схема — преобразователь кодов.

Такие схемы мы уже умеем разрабатывать. Этому мы научились в первой части книги. Если внимательно посмотреть на полученные нами на выходе линейки компараторов коды, то мы увидим, что с таким видом кодов мы уже встречались — это коды, которые мы использовали при построении восьмеричных шифраторов. А это, в свою очередь, означает, что в качестве преобразователя кодов мы можем использовать уже хорошо знакомую нам схему восьмеричного шифратора.

Как видите, у нас получилась достаточно простая и быстродействующая схема. Что может быть быстрее простого устройства сравнения — компаратора! Более того! Мы уже знаем, что большое быстродействие аналого-цифрового преобразователя нам обычно требуется при оцифровке радио- и видео-сигналов. При работе с подобными сигналами нас обычно не интересует абсолютная задержка этого сигнала (в пределах десятков миллисекунд). Нам важнее возможность непрерывно получать поток цифровых отсчетов.

В этом случае следует обратить внимание, что при изготовлении компараторов на одном кристалле, разброс их параметров, в том числе и времени распространения сигнала с его входа на выход будет значительно меньше абсолютного значения задержки. В результате, частота дискретизации, подаваемая на тактовый вход подобного АЦП, может достигать нескольких гигагерц.

Итак, все хорошо и прекрасно? Но почему же я в начале главы сказал, что у параллельного АЦП сложное внутреннее устройство? Мы рассмотрели трехразрядный АЦП и получили, что для его работы требуется семь компараторов. А сколько компараторов потребуется для реализации восьмиразрядного АЦП? Как мы уже знаем, количество разрядов должно быть на единицу меньше количества двоичных кодов. Для восьмиразрядного АЦП потребуется уже 256 компараторов, для десятиразрядного — 1023! Именно поэтому параллельные АЦП редко выполняются с разрядностью, большей восьми.