ანალოგური ციფრული სიგნალის გადამყვანი. ანალოგური ციფრული გადამყვანები (ADC): დანიშნულება, მოწყობილობა, აპლიკაცია

ოთხარხიანი ანალოგური ციფრული გადამყვანი

ელექტრული სიგნალების ანალოგური ციფრული გადაქცევა ბერკეტის სასწორზე დატვირთვის აწონვის მსგავსია. იტალიელმა მათემატიკოსმა ფიბონაჩიმ (1170-(1228-1250)) ჩამოაყალიბა ბერკეტის სასწორზე ყველაზე დიდი დიაპაზონის ტვირთების აწონვის უმცირესი რაოდენობის წონა, რომელიც ცნობილი გახდა როგორც "წონის პრობლემა". ამ პრობლემის გადაჭრის შემდეგ ფიბონაჩი მივიდა იმ დასკვნამდე, რომ წონათა უმცირესი რაოდენობა მიიღება წონების წონების არჩევით პოზიციურ სიმეტრიულ სამეულ რიცხვთა სისტემაში. აქედან გამომდინარეობს, რომ ყველაზე ოპტიმალური ანალოგური ციფრული გადამყვანები არის ანალოგური ციფრული გადამყვანები, რომლებიც მუშაობენ პოზიციურ სიმეტრიულ სამეულ რიცხვთა სისტემაში. აქედან გამომდინარეობს აგრეთვე, რომ „ელექტრონული აწონვა“ ბევრად ჩამორჩება მექანიკურ აწონვას, რომელშიც პოზიციური სიმეტრიული სამეული რიცხვების სისტემა იქნა მიღებული ჯერ კიდევ მე-12 საუკუნეში. „ელექტრონული აწონვის“ მათემატიკა მე-12 საუკუნის მექანიკური აწონვის მათემატიკის დონეზე დაბალია. აქვე უნდა აღინიშნოს, რომ ფიბონაჩის პრობლემაში აწონვის რაოდენობა არ გაითვალისწინა. აწონვის რაოდენობის გათვალისწინებისას (გამეორებების რაოდენობა „ელექტრონულ აწონვაში“), აღმოჩნდება, რომ აწონვის (იტერაციები) უმცირესი რაოდენობა ასევე ხდება პოზიციური სიმეტრიული სამეული რიცხვითი სისტემის არჩევისას.

ნებართვა

ADC გარჩევადობა არის ანალოგური სიგნალის სიდიდის მინიმალური ცვლილება, რომელიც შეიძლება გარდაიქმნას მოცემული ADC-ით. ჩვეულებრივ იზომება ვოლტებში, რადგან ADC-ების უმეტესობა იყენებს ელექტრო ძაბვას, როგორც შეყვანის სიგნალს. ერთი გაზომვის შემთხვევაში ხმაურის გათვალისწინების გარეშე, გარჩევადობა პირდაპირ დამოკიდებულია ცოტა სიღრმე ADC.

ADC სიმძლავრე ახასიათებს დისკრეტული მნიშვნელობების რაოდენობას, რომლებიც კონვერტორს შეუძლია გამოსვლისას. იზომება ბიტებში. მაგალითად, ADC-ს, რომელსაც შეუძლია 256 დისკრეტული მნიშვნელობის წარმოქმნა (0..255) აქვს 8 ბიტის სიგანე, ვინაიდან 2 8 = 256.

ძაბვის გარჩევადობა უდრის მაქსიმალურ და მინიმალურ გამომავალი კოდის შესაბამის ძაბვებს შორის სხვაობას, გაყოფილი გამომავალი დისკრეტული მნიშვნელობების რაოდენობაზე. მაგალითად:

• მაგალითი 1
  • შეყვანის დიაპაზონი = 0-დან 10 ვოლტამდე
  • ADC მოცულობა 12 ბიტი: 2 12 = 4096 კვანტიზაციის დონე
  • ძაბვის გარჩევადობა: (10-0)/4096 = 0.00244 ვოლტი = 2.44 მვ

• მაგალითი 2
  • შეყვანის დიაპაზონი = -10-დან +10 ვოლტამდე
  • ADC მოცულობა 14 ბიტი: 2 14 = 16384 კვანტიზაციის დონე
  • ძაბვის გარჩევადობა: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 ვოლტი = 1,22 მვ

პრაქტიკაში, ADC-ის გარჩევადობა შემოიფარგლება შემავალი სიგნალის სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობით. როდესაც ხმაურის ინტენსივობა ADC-ის შეყვანაზე მაღალია, მიმდებარე შეყვანის სიგნალის დონეებს შორის განსხვავება შეუძლებელი ხდება, ანუ გარჩევადობა უარესდება. ამ შემთხვევაში აღწერილია რეალურად მიღწევადი გარჩევადობა ეფექტური ბიტის სიღრმე (ბიტების ეფექტური რაოდენობა- ENOB), რაც ნაკლებია ADC-ის რეალურ ბიტის მოცულობაზე. მაღალი ხმაურიანი სიგნალის კონვერტაციისას, გამომავალი კოდის დაბალი რიგის ბიტები პრაქტიკულად გამოუსადეგარია, რადგან ისინი შეიცავს ხმაურს. დეკლარირებული ბიტის სიღრმის მისაღწევად, შეყვანის სიგნალის S/N თანაფარდობა უნდა იყოს დაახლოებით 6 დბ ბიტის სიღრმეზე.

კონვერტაციის ტიპები

ხაზოვანი ADC-ები

ADC-ების უმეტესობა განიხილება წრფივად, თუმცა ანალოგური ციფრულ კონვერტაცია არსებითად არაწრფივი პროცესია (რადგან უწყვეტი სივრცის დისკრეტულ სივრცეში გადატანის ოპერაცია არაწრფივი ოპერაციაა). ვადა ხაზოვანი ADC-თან მიმართებაში, ნიშნავს, რომ შეყვანის მნიშვნელობების დიაპაზონი გამომავალი ციფრულ მნიშვნელობასთან არის წრფივი დაკავშირებული ამ გამომავალ მნიშვნელობასთან, ანუ გამომავალ მნიშვნელობასთან კმიიღწევა შეყვანის მნიშვნელობების დიაპაზონით

მ(კ + ბ) მ(კ + 1 + ბ),

სად მდა ბ- ზოგიერთი მუდმივი. მუდმივი ბ, როგორც წესი, აქვს 0 ან −0,5 მნიშვნელობა. თუ ბ= 0, ADC ეწოდება კვანტიზატორი არანულოვანი სტადიით (შუა აწევა), თუ ბ= −0.5, მაშინ ADC გამოიძახება კვანტიზატორი ნულით კვანტიზაციის საფეხურის ცენტრში (შუა საფეხურზე).

არაწრფივი ADC-ები

მნიშვნელოვანი პარამეტრი, რომელიც აღწერს არაწრფივობას ინტეგრალური არაწრფივიობა(INL) და დიფერენციალური არაწრფივიობა(DNL).

დიაფრაგმის შეცდომა (იტერა)

მოდით ციფრული გავხადოთ სინუსოიდური სიგნალი x(ტ) = ა sin2π ვ 0 ტ . იდეალურ შემთხვევაში, კითხვა ხდება რეგულარული ინტერვალებით. თუმცა, სინამდვილეში, ნიმუშის აღების დრო ექვემდებარება რყევებს საათის სიგნალის ფრონტის ჟიტერის გამო ( საათის ხმაური). ვივარაუდოთ, რომ ნიმუშის აღების დროს გაურკვევლობა არის Δ-ის რიგის ტ, ჩვენ ვხვდებით, რომ ამ ფენომენით გამოწვეული შეცდომა შეიძლება შეფასდეს როგორც

ადვილი მისახვედრია, რომ შეცდომა შედარებით მცირეა დაბალ სიხშირეებზე, მაგრამ მაღალ სიხშირეებზე შეიძლება მნიშვნელოვნად გაიზარდოს.

დიაფრაგმის შეცდომის ეფექტი შეიძლება იგნორირებული იყოს, თუ მისი სიდიდე შედარებით მცირეა კვანტიზაციის შეცდომასთან შედარებით. ამრიგად, სინქრონიზაციის სიგნალის კიდეზე ჟიტერისთვის შეიძლება დაყენდეს შემდეგი მოთხოვნები:

სად ქ- ADC სიმძლავრე.

ADC სიმძლავრე	შეყვანის მაქსიმალური სიხშირე
	44.1 kHz	192 kHz	1 MHz	10 MHz	100 MHz
8	28.2 ns	6.48 ns	1.24 ns	124 ps	12.4 ps
10	7.05 ns	1.62 ns	311 ps	31.1 ps	3.11 ps
12	1.76 ns	405 ps	77.7 ps	7.77 ps	777 ფს
14	441 ps	101 ps	19.4 ps	1.94 ps	194 ფს
16	110 ps	25.3 ps	4.86 ps	486 ფს	48.6 ფს
18	27.5 ps	6.32 ps	1.21 ps	121 ფს	12.1 ფს
24	430 ფს	98.8 ფს	19.0 ფს	1.9 ფს	190 წ

ამ ცხრილიდან შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ მიზანშეწონილია გამოიყენოს გარკვეული სიმძლავრის ADC, სინქრონიზაციის კიდეების ჟიტერის მიერ დაწესებული შეზღუდვების გათვალისწინებით ( საათის ხმაური). მაგალითად, უაზროა ზუსტი 24-ბიტიანი ADC-ის გამოყენება აუდიოს ჩასაწერად, თუ საათის განაწილების სისტემა ვერ უზრუნველყოფს ულტრა დაბალ გაურკვევლობას.

შერჩევის სიხშირე

ანალოგური სიგნალი დროის უწყვეტი ფუნქციაა ADC-ში ის გარდაიქმნება ციფრული მნიშვნელობების თანმიმდევრობაში. აქედან გამომდინარე, აუცილებელია განისაზღვროს სიხშირე, რომლითაც ციფრული მნიშვნელობების ნიმუში ხდება ანალოგური სიგნალიდან. ციფრული მნიშვნელობების წარმოების სიხშირე ეწოდება შერჩევის მაჩვენებელი ADC.

მუდმივად ცვალებადი სიგნალი შეზღუდული სპექტრული დიაპაზონით ექვემდებარება დიგიტალიზაცია(ანუ სიგნალის მნიშვნელობები იზომება დროის ინტერვალში თ- სინჯის პერიოდი) და ორიგინალური სიგნალი შეიძლება იყოს ზუსტადრეკონსტრუქცია დისკრეტული დროის მნიშვნელობებიდან ინტერპოლაციის გზით. რეკონსტრუქციის სიზუსტე შემოიფარგლება კვანტიზაციის შეცდომით. თუმცა, კოტელნიკოვ-შენონის თეორემის მიხედვით, ზუსტი რეკონსტრუქცია შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ სინჯის აღების სიხშირე ორჯერ აღემატება მაქსიმალურ სიხშირეს სიგნალის სპექტრში.

ვინაიდან რეალურ ADC-ებს არ შეუძლიათ მყისიერად შეასრულონ ანალოგური ციფრული კონვერტაცია, ანალოგური შეყვანის მნიშვნელობა უცვლელი უნდა იყოს მინიმუმ კონვერტაციის პროცესის დასაწყისიდან ბოლომდე (ამ დროის ინტერვალი ე.წ. კონვერტაციის დრო). ეს პრობლემა მოგვარებულია სპეციალური მიკროსქემის გამოყენებით ADC-ს შესასვლელში - ნიმუშის შესანარჩუნებელი მოწყობილობა - UVH. UVH, როგორც წესი, ინახავს შეყვანის ძაბვას კონდენსატორში, რომელიც ანალოგური გადამრთველის საშუალებით არის დაკავშირებული შეყვანთან: როდესაც გადამრთველი დახურულია, შეყვანის სიგნალის ნიმუშის აღება (კონდენსატორი იტენება შეყვანის ძაბვაზე), როდესაც ის გაიხსნა, ხდება შენახვა. ბევრი ADC, რომელიც დამზადებულია ინტეგრირებული სქემების სახით, შეიცავს ჩაშენებულ ციფრული სიგნალის კონტროლერს.

Aliasing

ყველა ADC მუშაობს შეყვანის მნიშვნელობების შერჩევით ფიქსირებული დროის ინტერვალებით. აქედან გამომდინარე, გამომავალი მნიშვნელობები არის არასრული სურათი იმისა, თუ რა იკვებება შეყვანაში. არ არსებობს გზა იმის დადგენა, თუ როგორ მოიქცა შემავალი სიგნალი გამომავალი მნიშვნელობების დათვალიერებით შორისნიმუშები. თუ იცით, რომ შეყვანის სიგნალი საკმარისად ნელა იცვლება შერჩევის სიჩქარის მიმართ, მაშინ შეგიძლიათ ჩათვალოთ, რომ ნიმუშებს შორის შუალედური მნიშვნელობები სადღაც ამ ნიმუშების მნიშვნელობებს შორისაა. თუ შეყვანის სიგნალი სწრაფად იცვლება, მაშინ შეყვანის სიგნალის შუალედური მნიშვნელობების შესახებ ვარაუდი არ შეიძლება გაკეთდეს და, შესაბამისად, შეუძლებელია ორიგინალური სიგნალის ფორმის ცალსახად აღდგენა.

თუ ADC-ის მიერ გამომავალი ციფრული მნიშვნელობების თანმიმდევრობა სადღაც ციფრული ანალოგური გადამყვანის მიერ გადაკეთდება ანალოგურ ფორმაში, სასურველია, რომ მიღებული ანალოგური სიგნალი იყოს რაც შეიძლება ზუსტი ორიგინალური სიგნალის ასლი. თუ შეყვანის სიგნალი იცვლება უფრო სწრაფადვიდრე გაკეთდება მისი წაკითხვა, მაშინ სიგნალის ზუსტი რეკონსტრუქცია შეუძლებელია და ყალბი სიგნალი იქნება DAC გამომავალზე. სიგნალის ცრუ სიხშირის კომპონენტები (არ არის თავდაპირველი სიგნალის სპექტრში) ეწოდება მეტსახელი(ცრუ სიხშირე, ყალბი დაბალი სიხშირის კომპონენტი). ალიასინგის სიხშირე დამოკიდებულია სიგნალის სიხშირესა და შერჩევის სიხშირეს შორის განსხვავებაზე. მაგალითად, 2 kHz სინუსური ტალღა, რომელიც შერჩეულია 1,5 kHz-ზე, გადაიცემა როგორც 500 Hz სინუსური ტალღა. ამ პრობლემას ე.წ სიხშირის ალიასინგი (ალიასინგი).

ალიასინგის თავიდან ასაცილებლად, ADC-ის შეყვანაზე გამოყენებული სიგნალი უნდა გაიაროს დაბალი გამტარი ფილტრის მეშვეობით, რათა ჩაახშოს სპექტრული კომპონენტები, რომელთა სიხშირე აღემატება სინჯის აღების სიხშირის ნახევარს. ამ ფილტრს ე.წ ალიასის საწინააღმდეგო(ანტიალიაზირების) ფილტრი, მისი გამოყენება უაღრესად მნიშვნელოვანია რეალური ADC-ების აგებისას.

მიუხედავად იმისა, რომ ალიასინგი უმეტეს შემთხვევაში არასასურველი ეფექტია, ის შეიძლება სასიკეთოდ იქნას გამოყენებული. მაგალითად, ამ ეფექტის წყალობით, ვიწროზოლიანი მაღალი სიხშირის სიგნალის გაციფრულებისას შესაძლებელია თავიდან იქნას აცილებული სიხშირის დაქვეითების გარდაქმნა (იხ. მიქსერი). თუმცა, ამისათვის ADC-ის ანალოგური შეყვანის საფეხურებს უნდა ჰქონდეთ მნიშვნელოვნად უფრო მაღალი პარამეტრები, ვიდრე საჭიროა ADC-ის სტანდარტული გამოყენებისთვის ფუნდამენტურ (ვიდეო ან დაბალ) ჰარმონიაში.

ფსევდო-შემთხვევითი სიგნალის შერევა (dither)

ზოგიერთი ADC მახასიათებელი შეიძლება გაუმჯობესდეს ფსევდო შემთხვევითი სიგნალის შერევის ტექნიკის გამოყენებით. თრთოლვა). იგი შედგება მცირე ამპლიტუდის შემთხვევითი ხმაურის (თეთრი ხმაურის) დამატებით შეყვანის ანალოგურ სიგნალზე. ხმაურის ამპლიტუდა, როგორც წესი, შეირჩევა მინიმალური მნიშვნელობის ნახევარზე. ამ დამატების ეფექტი არის ის, რომ MZR მდგომარეობა შემთხვევით გადადის 0 და 1 მდგომარეობებს შორის ძალიან მცირე შეყვანით (ხმაურის დამატების გარეშე, MZR იქნება 0 ან 1 მდგომარეობაში დიდი ხნის განმავლობაში). შერეული ხმაურის მქონე სიგნალისთვის, სიგნალის უახლოეს ციფრამდე უბრალოდ დამრგვალების ნაცვლად, ხდება შემთხვევითი დამრგვალება ზევით ან ქვევით, და საშუალო დრო, რომლის დროსაც სიგნალი მრგვალდება კონკრეტულ დონეზე, დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენად ახლოს არის სიგნალი მასზე. დონე. ამრიგად, ციფრული სიგნალი შეიცავს ინფორმაციას სიგნალის ამპლიტუდის შესახებ MZR-ზე უკეთესი გარჩევადობით, ანუ იზრდება ADC-ის ეფექტური ბიტის სიმძლავრე. ტექნიკის უარყოფითი მხარე არის გამომავალი სიგნალის ხმაურის ზრდა. სინამდვილეში, კვანტიზაციის შეცდომა ნაცხირამდენიმე მეზობელი წაკითხვის მიხედვით. ეს მიდგომა უფრო სასურველია, ვიდრე უბრალოდ დამრგვალება უახლოეს დისკრეტულ დონეზე. ფსევდო შემთხვევითი სიგნალის შერევის ტექნიკის გამოყენების შედეგად გვაქვს სიგნალის უფრო ზუსტი რეპროდუქცია დროში. სიგნალში მცირე ცვლილებები შეიძლება აღდგეს LSM-ის ფსევდო შემთხვევითი ნახტომებიდან ფილტრაციის გზით. გარდა ამისა, თუ ხმაური დეტერმინისტულია (დამატებული ხმაურის ამპლიტუდა ზუსტად არის ცნობილი ნებისმიერ დროს), მაშინ ის შეიძლება გამოკლდეს ციფრულ სიგნალს ჯერ მისი ბიტის სიღრმის გაზრდით, რითაც თითქმის მთლიანად მოიცილება დამატებული ხმაური.

ძალიან მცირე ამპლიტუდის ხმოვანი სიგნალები, ციფრული ფსევდო შემთხვევითი სიგნალის გარეშე, ყურის მიერ აღიქმება, როგორც ძალიან დამახინჯებული და უსიამოვნო. ფსევდო შემთხვევითი სიგნალის შერევისას, ნამდვილი სიგნალის დონე წარმოდგენილია რამდენიმე თანმიმდევრული ნიმუშის საშუალო მნიშვნელობით.

ADC-ების უმეტესობისთვის, ბიტის სიღრმე მერყეობს 6-დან 24 ბიტამდე, ხოლო შერჩევის სიხშირე 1 MHz-მდეა. ასევე ხელმისაწვდომია მეგა და გიგაჰერციანი ADC (2002 წლის თებერვალი). მეგაჰერცის ADC-ები საჭიროა ციფრულ ვიდეოკამერებში, ვიდეო გადაღების მოწყობილობებში და ციფრული ტელევიზიის ტიუნერებში სრული ვიდეო სიგნალის ციფრულიზაციისთვის. კომერციულ ADC-ებს, როგორც წესი, აქვთ გამომავალი შეცდომა ±0.5-დან ±1.5 LSB-მდე.

ერთ-ერთი ფაქტორი, რომელიც ზრდის ჩიპების ღირებულებას, არის ქინძისთავები, რადგან ისინი აიძულებენ ჩიპის შეფუთვას უფრო დიდი იყოს და თითოეული პინი უნდა იყოს მიმაგრებული ჩიპზე. ქინძისთავების რაოდენობის შესამცირებლად, ხშირად ADC-ებს, რომლებიც მუშაობენ შერჩევის დაბალი სიჩქარით, აქვთ სერიული ინტერფეისი. ADC-ის გამოყენება სერიული ინტერფეისით ხშირად იძლევა შეფუთვის სიმკვრივისა და დაფის უფრო მცირე ფართობის გაზრდის საშუალებას.

ხშირად ADC ჩიპებს აქვთ რამდენიმე ანალოგური შეყვანა, რომლებიც დაკავშირებულია ჩიპში ერთ ADC-თან ანალოგური მულტიპლექსერის საშუალებით. ADC-ის სხვადასხვა მოდელს შეიძლება მოიცავდეს ნიმუშების დაჭერის მოწყობილობები, ინსტრუმენტული გამაძლიერებლები ან მაღალი ძაბვის დიფერენციალური შეყვანა და სხვა მსგავსი სქემები.

ADC-ის გამოყენება ხმის ჩაწერაში

ADC-ები ჩაშენებულია აუდიო ჩამწერი მოწყობილობების უმეტესობაში, ვინაიდან აუდიო დამუშავება ჩვეულებრივ ხდება კომპიუტერებზე; ანალოგური ჩაწერის გამოყენებისას კი საჭიროა ADC სიგნალის PCM ნაკადად გადასაყვანად, რომელიც ჩაიწერება CD-ზე.

თანამედროვე ADC-ებს, რომლებიც გამოიყენება აუდიო ჩანაწერებში, შეუძლიათ იმუშაონ შერჩევის სიხშირით 192 kHz-მდე. ამ სფეროში ჩართული ბევრი ადამიანი თვლის, რომ ეს მაჩვენებელი ზედმეტია და გამოიყენება წმინდა მარკეტინგული მიზეზების გამო (ამას მოწმობს კოტელნიკოვ-შენონის თეორემა). შეიძლება ითქვას, რომ ანალოგური აუდიო სიგნალი არ შეიცავს იმდენ ინფორმაციას, რამდენიც შეიძლება შეინახოს ციფრულ სიგნალში ასეთი მაღალი შერჩევის სიჩქარით, და ხშირად Hi-Fi (ტექნიკის კლასის) აუდიო აღჭურვილობის შერჩევის სიხშირე 44.1 kHz (სტანდარტული). CD-სთვის) ან 48 kHz (სტანდარტი CD-სთვის) გამოიყენება კომპიუტერებში ხმის წარმოდგენისთვის). თუმცა, ფართო ზოლი ამარტივებს და ამცირებს ანტი-ალიასინგის ფილტრების დანერგვის ღირებულებას, რაც საშუალებას აძლევს მათ დამზადდეს ნაკლები ბმულით ან ნაკლები ციცაბო ზოლში, რაც დადებითად მოქმედებს ფილტრის ფაზურ რეაქციაზე გამშვებ ზოლში.

აუდიო ჩანაწერის ანალოგური ციფრულ გადამყვანებს აქვთ ფასების ფართო დიაპაზონი - $100-დან $10000-მდე ან მეტი ორარხიანი ADC-ისთვის.

კომპიუტერებზე გამოყენებული ხმის ჩაწერის ADC შეიძლება იყოს შიდა ან გარე. ასევე არსებობს უფასო PulseAudio პროგრამული პაკეტი Linux-ისთვის, რომელიც საშუალებას გაძლევთ გამოიყენოთ დამხმარე კომპიუტერ(ები) როგორც გარე DAC/ADC ძირითადი კომპიუტერისთვის გარანტირებული შეყოვნებით.

სხვა აპლიკაციები

ანალოგური ციფრული კონვერტაცია გამოიყენება იქ, სადაც საჭიროა სიგნალის დამუშავება, შენახვა ან ციფრული ფორმით გადაცემა.

• სწრაფი ვიდეო ADC გამოიყენება, მაგალითად, სატელევიზიო ტიუნერებში.
• ნელი ჩიპის 8, 10, 12 ან 16-ბიტიანი ADC-ები ხშირად შედის მიკროკონტროლერებში.
• ციფრულ ოსცილოსკოპებში საჭიროა ძალიან სწრაფი ADC-ები.
• თანამედროვე სასწორები იყენებენ ADC-ებს 24 ბიტამდე გარჩევადობით, რომლებიც გარდაქმნის სიგნალს უშუალოდ დაძაბვის ლიანდაგის სენსორიდან.
• ADC-ები არის რადიო მოდემების და სხვა რადიო მონაცემთა გადაცემის მოწყობილობების ნაწილი, სადაც ისინი გამოიყენება DSP პროცესორთან ერთად, როგორც დემოდულატორი.
• ულტრა სწრაფი ADC ასევე გამოიყენება საბაზო სადგურის ანტენის სისტემებში (ე.წ. SMART ანტენებში) და რადარის ანტენის მასივებში.

შენიშვნები

აგრეთვე

ბმულები

• ვოლფგანგ რისი. სხვადასხვა ტიპის ანალოგური ციფრული გადამყვანების დიზაინი და მუშაობის პრინციპები WBC GmbH ჟურნალი „კომპონენტები და ტექნოლოგიები“ No3 2005 წ.
• ანალოგური ციფრული გადამყვანები, თეორია და მუშაობის პრინციპები მიკროელექტრონული ბაზრის ვებსაიტიდან

6. ანალოგური ციფრული სიგნალის გადაქცევა.

ნებისმიერი ანალოგური სიგნალის (ხმა, გამოსახულება) ციფრულ ფორმაში გადასაყვანად სამი ძირითადი ოპერაცია უნდა შესრულდეს: სინჯის აღება, კვანტიზაცია და კოდირება.

სინჯის აღება -

უწყვეტი ანალოგური სიგნალის წარმოდგენა მისი მნიშვნელობების (ნიმუშების) თანმიმდევრობით. ეს ნიმუშები აღებულია დროის წერტილებში, რომლებიც ერთმანეთისგან გამოყოფილია ინტერვალით, რომელსაც ეწოდება შერჩევის ინტერვალი. ნიმუშებს შორის ინტერვალის ორმხრივობას სინჯის აღების სიხშირე ეწოდება. ნახ. სურათი 1 გვიჩვენებს ორიგინალური ანალოგური სიგნალი და მისი ნიმუშის ვერსია. დროის დიაგრამების ქვემოთ მოცემული სურათები მიიღება იმ ვარაუდით, რომ სიგნალები არის ერთხაზიანი სატელევიზიო ვიდეო სიგნალები, იდენტურია მთელი სატელევიზიო რასტერისთვის.

ნახ.1 ანალოგური ციფრული კონვერტაცია. სინჯის აღება.

ნათელია, რომ რაც უფრო მცირეა შერჩევის ინტერვალი და, შესაბამისად, რაც უფრო მაღალია სინჯის აღების სიხშირე, მით უფრო მცირეა განსხვავება თავდაპირველ სიგნალსა და მის სინჯის ასლს შორის.

ნიმუშის აღებული სიგნალის საფეხურის სტრუქტურა შეიძლება გამარტივდეს დაბალი გამტარი ფილტრის გამოყენებით. ასე აღდგება ანალოგური სიგნალი ნიმუშიდან. მაგრამ რეკონსტრუქცია ზუსტი იქნება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ შერჩევის სიხშირე მინიმუმ 2-ჯერ აღემატება თავდაპირველი ანალოგური სიგნალის გამტარუნარიანობას (ეს პირობა განისაზღვრება კოტელნიკოვის ცნობილი თეორემით). თუ ეს პირობა არ დაკმაყოფილებულია, მაშინ სინჯის აღებას თან ახლავს შეუქცევადი დამახინჯება. ფაქტია, რომ შერჩევის შედეგად, დამატებითი კომპონენტები ჩნდება სიგნალის სიხშირის სპექტრში, რომელიც მდებარეობს შერჩევის სიხშირის ჰარმონიის გარშემო, დიაპაზონში, რომელიც უდრის ორიგინალური ანალოგური სიგნალის სპექტრის ორჯერ სიგანეს. თუ ანალოგური სიგნალის სიხშირის სპექტრში მაქსიმალური სიხშირე აღემატება შერჩევის სიხშირის ნახევარს, მაშინ დამატებითი კომპონენტები ხვდება ორიგინალური ანალოგური სიგნალის სიხშირის დიაპაზონში. ამ შემთხვევაში, აღარ არის შესაძლებელი ორიგინალური სიგნალის აღდგენა დამახინჯების გარეშე.

შერჩევის დამახინჯების მაგალითი ნაჩვენებია ნახ. 2. ანალოგური სიგნალი (ისევ ვივარაუდოთ, რომ ეს არის სატელევიზიო ხაზის ვიდეო სიგნალი) შეიცავს ტალღას, რომლის სიხშირე ჯერ იზრდება 0,5 MHz-დან 2,5 MHz-მდე და შემდეგ მცირდება 0,5 MHz-მდე.

თუ თქვენ მოითხოვთ, რომ შერჩევის პროცესის დროს არ მოხდეს სატელევიზიო სიგნალის დამახინჯება გამორთვის სიხშირით, მაგალითად, 6 MHz, მაშინ ნიმუშის აღების სიხშირე უნდა იყოს მინიმუმ 12 MHz. თუმცა, რაც უფრო უახლოვდება ნიმუშის სიხშირე სიგნალის გათიშვის სიხშირეს ორჯერ, მით უფრო რთულია დაბალი გამტარი ფილტრის შექმნა, რომელიც გამოიყენება რეკონსტრუქციაში და ასევე ორიგინალური ანალოგური სიგნალის წინასწარ გაფილტვრაში. ეს აიხსნება იმით, რომ როდესაც სინჯის აღების სიხშირე უახლოვდება ნიმუშის სიგნალის ორმაგი გამორთვის სიხშირეს, უფრო მკაცრი მოთხოვნები დაწესებულია რეკონსტრუქციის ფილტრების სიხშირის მახასიათებლების ფორმაზე - ის უფრო ზუსტად უნდა შეესაბამებოდეს მართკუთხა მახასიათებელს. ხაზგასმით უნდა აღინიშნოს, რომ მართკუთხა მახასიათებლის მქონე ფილტრის ფიზიკურად დანერგვა შეუძლებელია. ასეთი ფილტრი, როგორც თეორია გვიჩვენებს, უნდა შემოიტანოს უსასრულოდ დიდი შეფერხება გადაცემულ სიგნალში. ამიტომ, პრაქტიკაში ყოველთვის არის გარკვეული ინტერვალი თავდაპირველი სიგნალის ორმაგი გამორთვის სიხშირესა და შერჩევის სიხშირეს შორის.

კვანტიზაცია

წარმოადგენს სიგნალის ნიმუშის მნიშვნელობის ჩანაცვლებას ფიქსირებული მნიშვნელობების სიმრავლიდან უახლოესი მნიშვნელობით - კვანტიზაციის დონეები. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კვანტიზაცია არის ნიმუშის მნიშვნელობის დამრგვალება. კვანტიზაციის დონეები ყოფს სიგნალის მნიშვნელობების შესაძლო ცვლილებების მთელ დიაპაზონს ინტერვალების სასრულ რაოდენობად - კვანტიზაციის საფეხურებად. კვანტიზაციის დონეების მდებარეობა განისაზღვრება კვანტიზაციის მასშტაბით. გამოიყენება როგორც ერთიანი, ასევე არაერთგვაროვანი სასწორები. ნახ. სურათი 3 გვიჩვენებს ორიგინალური ანალოგური სიგნალი და მისი კვანტიზებული ვერსია მიღებული ერთიანი კვანტიზაციის სკალის გამოყენებით, ისევე როგორც შესაბამისი გამოსახულებები.

ლექცია No3

"ანალოგური ციფრული და ციფრული ანალოგური კონვერტაცია."

მიკროპროცესორულ სისტემებში პულსის ელემენტის როლს ასრულებს ანალოგური ციფრული გადამყვანი (ADC), ხოლო ექსტრაპოლატორის როლს ასრულებს ციფრული ანალოგური გადამყვანი (DAC).

ანალოგური ციფრული კონვერტაციაშედგება ანალოგური სიგნალის შემცველი ინფორმაციის ციფრულ კოდში გადაქცევისგან . ციფრული ანალოგური კონვერტაციაშექმნილია შებრუნებული დავალების შესასრულებლად, ე.ი. ციფრული კოდის სახით წარმოდგენილი რიცხვის გადაქცევა ეკვივალენტურ ანალოგურ სიგნალად.

ADC-ები, როგორც წესი, დამონტაჟებულია ციფრული კონტროლის სისტემების უკუკავშირის სქემებში, რათა გადაიყვანონ ანალოგური უკუკავშირის სიგნალები სისტემის ციფრული ნაწილის მიერ აღქმულ კოდებად. რომ. ADC-ები ასრულებენ რამდენიმე ფუნქციას, როგორიცაა: დროის შერჩევა, დონის კვანტიზაცია, კოდირება. ADC-ის განზოგადებული ბლოკ-სქემა ნაჩვენებია ნახ. 3.1-ზე.

სიგნალი დენის ან ძაბვის სახით მიეწოდება ADC-ს შეყვანას, რომელიც კვანტიზებულია დონის მიხედვით კონვერტაციის პროცესში. 3-ბიტიანი ADC-ის იდეალური სტატიკური მახასიათებელი ნაჩვენებია ნახ. 3.2-ში.

შეყვანის სიგნალებს შეუძლიათ მიიღონ ნებისმიერი მნიშვნელობა დიაპაზონში - Umax-მდე Umax , და გამოსავალი შეესაბამება რვა (2 3) დისკრეტულ დონეს. შეყვანის ძაბვის მნიშვნელობა, რომლის დროსაც ხდება გადასვლა ADC გამომავალი კოდის ერთი მნიშვნელობიდან მეორე მიმდებარე მნიშვნელობაზე, ეწოდება ინტერკოდის გარდამავალი ძაბვა. ინტერკოდის გადასვლების ორ მიმდებარე მნიშვნელობას შორის განსხვავება ეწოდება კვანტიზაციის ნაბიჯიან ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვანი ბიტის ერთეული (LSB).ტრანსფორმაციის მახასიათებლების საწყისი წერტილიარის შეყვანის სიგნალის მნიშვნელობით განსაზღვრული წერტილი, რომელიც განისაზღვრება როგორც

(3.1),

სადაც U 0.1 - პირველი ინტერკოდის გადასვლის ძაბვა, U LSB - კვანტიზაციის ნაბიჯი ( LSB - ნაკლებად მნიშვნელოვანი ბიტი ).

(3.2).

კონვერტაცია შეესაბამება შეყვანის ძაბვას, რომელიც განსაზღვრულია მიმართებით ADC შეყვანის ძაბვის დიაპაზონი შეზღუდულია U 0.1 და U N-1,N დაურეკა.

(3.3).

შეყვანის ძაბვის დიაპაზონიშეყვანის ძაბვის დიაპაზონი და LSB მნიშვნელობა ნ

(3.4).

-ბიტი ADC და DAC დაკავშირებულია თანაფარდობით

(3.5)

U 0.1 და U N-1,N ძაბვა (სრული მასშტაბის ძაბვა FSR - სრული მასშტაბის დიაპაზონი

(3.6),

). როგორც წესი, ეს პარამეტრი განისაზღვრება ADC-სთან დაკავშირებული საცნობარო ძაბვის წყაროს გამომავალი დონით. კვანტიზაციის საფეხურის ზომა ან ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვანი ციფრის ერთეული ე.ი. ტოლია

(3.7).

და ყველაზე მნიშვნელოვანი ციფრის ერთეულის მნიშვნელობაროგორც ნახ. 3.2-დან ჩანს, კონვერტაციის პროცესის დროს ხდება შეცდომა, რომელიც არ აღემატება ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვანი ბიტის მნიშვნელობის ნახევარს.

U LSB /2.არსებობს ანალოგური ციფრული კონვერტაციის სხვადასხვა მეთოდი, რომლებიც განსხვავდება სიზუსტითა და სიჩქარით. უმეტეს შემთხვევაში, ეს მახასიათებლები ერთმანეთის ანტაგონისტურია. ამჟამად, ისეთი ტიპის გადამყვანები, როგორიცაა თანმიმდევრული მიახლოების ADC (ბიტიური დაბალანსება), ინტეგრირებული ADC, პარალელური ( ფლეში

) ADC, “sigma-delta” ADC და ა.შ.

მოწყობილობის ძირითადი ელემენტებია შედარებითი (K), ციფრული ანალოგური გადამყვანი (DAC) და ლოგიკური კონტროლის წრე. კონვერტაციის პრინციპი ემყარება შეყვანის სიგნალის დონის თანმიმდევრულ შედარებას სიგნალის დონეებთან, რომლებიც შეესაბამება გამომავალი კოდის სხვადასხვა კომბინაციებს და შედეგად მიღებული კოდის ფორმირებას შედარების შედეგების საფუძველზე. შედარებული კოდების თანმიმდევრობა აკმაყოფილებს ნახევრების წესს. კონვერტაციის დასაწყისში, DAC შეყვანის კოდი დაყენებულია ისეთ მდგომარეობაში, რომელშიც ყველა ბიტი, გარდა ყველაზე მნიშვნელოვანი არის 0, ხოლო ყველაზე მნიშვნელოვანი არის 1. ამ კომბინაციით, ძაბვა, რომელიც ტოლია შეყვანის ძაბვის დიაპაზონის ნახევარს, იქმნება DAC გამომავალი. ეს ძაბვა შედარებულია შემავალ ძაბვასთან შედარებით. თუ შეყვანის სიგნალი უფრო დიდია ვიდრე DAC-დან მომდინარე სიგნალი, მაშინ გამომავალი კოდის ყველაზე მნიშვნელოვანი ბიტი დაყენებულია 1-ზე, წინააღმდეგ შემთხვევაში იგი გადატვირთულია 0-ზე. შემდეგ საათის ციკლზე, ნაწილობრივ ამ გზით ჩამოყალიბებული კოდი კვლავ არის მიღებული DAC-ის შეყვანისას, შემდეგი ბიტი დაყენებულია ერთზე და შედარება მეორდება. პროცესი გრძელდება მანამ, სანამ არ შევადარებთ ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვან ბიტს. რომ. ჩამოყალიბებაშეყვანის ძაბვის დიაპაზონი და LSB მნიშვნელობა - საჭიროა ბიტიანი გამომავალი კოდიშეყვანის ძაბვის დიაპაზონი და LSB მნიშვნელობა იდენტური ელემენტარული შედარების ციკლები. ეს ნიშნავს, რომ სხვა თანაბარ პირობებში, ასეთი ADC-ის შესრულება მცირდება, როდესაც იზრდება მისი ბიტის მოცულობა. თანმიმდევრული დაახლოების ADC-ის შიდა ელემენტებს (DAC და შედარებითი) უნდა ჰქონდეს ADC-ის ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვანი ბიტის ნახევარზე უკეთესი სიზუსტე.

პარალელის ბლოკ-სქემა (არსებობს ანალოგური ციფრული კონვერტაციის სხვადასხვა მეთოდი, რომლებიც განსხვავდება სიზუსტითა და სიჩქარით. უმეტეს შემთხვევაში, ეს მახასიათებლები ერთმანეთის ანტაგონისტურია. ამჟამად, ისეთი ტიპის გადამყვანები, როგორიცაა თანმიმდევრული მიახლოების ADC (ბიტიური დაბალანსება), ინტეგრირებული ADC, პარალელური ( ) ADC ნაჩვენებია ნახ. 3.4.

ამ შემთხვევაში, შეყვანის ძაბვა მიეწოდება დაუყოვნებლივ იმავე სახელწოდების შეყვანებთან შესადარებლად.შეყვანის ძაბვის დიაპაზონი და LSB მნიშვნელობა -1 შედარება. შედარების საპირისპირო შეყვანა მიეწოდება სიგნალებს მაღალი სიზუსტის ძაბვის გამყოფიდან, რომელიც დაკავშირებულია საცნობარო ძაბვის წყაროსთან. ამ შემთხვევაში, გამყოფის გამომავალი ძაბვები თანაბრად ნაწილდება შეყვანის სიგნალის ცვლილებების მთელ დიაპაზონში. პრიორიტეტული ენკოდერი წარმოქმნის ციფრულ გამომავალ სიგნალს, რომელიც შეესაბამება უმაღლეს შემდარებელს, გამომავალი სიგნალის გააქტიურებით. რომ. უზრუნველყოსშეყვანის ძაბვის დიაპაზონი და LSB მნიშვნელობა - საჭიროა ბიტის კონვერტაცია 2ნ გამყოფი რეზისტორები და 2ნ -1 შედარება. ეს არის კონვერტაციის ერთ-ერთი ყველაზე სწრაფი მეთოდი. თუმცა, დიდი სიმძლავრით ის მოითხოვს დიდ ტექნიკის ხარჯებს. ყველა გამყოფი და შედარებითი რეზისტორების სიზუსტე კვლავ უნდა იყოს LSB მნიშვნელობის ნახევარზე უკეთესი.

ორმაგი ინტეგრაციის ADC-ის ბლოკ-სქემა ნაჩვენებია ნახ. 3.5-ზე.

სისტემის ძირითადი ელემენტებია ანალოგური გადამრთველი, რომელიც შედგება გასაღებებისგან SW 1, SW 2, SW 3, ინტეგრატორი I, შედარებითი K და მრიცხველი C. კონვერტაციის პროცესი შედგება სამი ფაზისაგან (ნახ. 3.6).

პირველ ეტაპზე გასაღები დახურულიას.ვ. 1 და დარჩენილი გასაღებები ღიაა. დახურული გასაღების მეშვეობითს.ვ. 1, შეყვანის ძაბვა გამოიყენება ინტეგრატორზე, რომელიც აერთიანებს შეყვანის სიგნალს ფიქსირებულ დროში. ამ დროის ინტერვალის შემდეგ, ინტეგრატორის გამომავალი სიგნალის დონე შეყვანის სიგნალის მნიშვნელობის პროპორციულია. ტრანსფორმაციის მეორე ეტაპზე გასაღების.ვ. 1 იხსნება და გასაღების.ვ. 2 იხურება და სიგნალი საორიენტაციო ძაბვის წყაროდან მიეწოდება ინტეგრატორის შესასვლელს. ინტეგრატორის კონდენსატორი იხსნება პირველი კონვერტაციის ინტერვალში დაგროვილი ძაბვისგან საორიენტაციო ძაბვის პროპორციული მუდმივი სიჩქარით. ეს ეტაპი გრძელდება მანამ, სანამ ინტეგრატორის გამომავალი ძაბვა არ დაეცემა ნულამდე, როგორც ეს მიუთითებს შედარების გამომავალზე, რომელიც ადარებს ინტეგრატორის სიგნალს ნულთან. მეორე ეტაპის ხანგრძლივობა კონვერტორის შეყვანის ძაბვის პროპორციულია. მთელი მეორე ეტაპის განმავლობაში მრიცხველზე იგზავნება მაღალი სიხშირის იმპულსები დაკალიბრებული სიხშირით. რომ. მეორე ეტაპის შემდეგ ციფრული მრიცხველის ჩვენებები შეყვანის ძაბვის პროპორციულია. ამ მეთოდით, ძალიან კარგი სიზუსტის მიღწევა შესაძლებელია კომპონენტების სიზუსტესა და სტაბილურობაზე მაღალი მოთხოვნების დაყენების გარეშე. კერძოდ, ინტეგრატორის ტევადობის სტაბილურობა შეიძლება არ იყოს მაღალი, რადგან დამუხტვისა და განმუხტვის ციკლები ხდება ტევადობის უკუპროპორციული სიჩქარით. უფრო მეტიც, შედარების დრიფტისა და ოფსეტური შეცდომების კომპენსირება ხდება თითოეული კონვერტაციის საფეხურის დაწყებით და დამთავრებით იმავე ძაბვით. სიზუსტის გასაუმჯობესებლად გამოიყენება კონვერტაციის მესამე ეტაპი, როდესაც ინტეგრატორი შეყვანილია გასაღების მეშვეობითს.ვ. 3 მოცემულია ნულოვანი სიგნალი. ვინაიდან ამ საფეხურზე გამოყენებულია ერთი და იგივე ინტეგრატორი და შედარება, გამომავალი შეცდომის მნიშვნელობის ნულზე გამოკლება შემდგომი გაზომვისგან შეიძლება ანაზღაურდეს ნულის მახლობლად გაზომვებთან დაკავშირებული შეცდომები. მკაცრი მოთხოვნები არ არის დაწესებული თუნდაც მრიცხველთან ჩამოსული საათის იმპულსების სიხშირეზე, რადგან ფიქსირებული დროის ინტერვალი კონვერტაციის პირველ ეტაპზე იქმნება იგივე პულსებიდან. მკაცრი მოთხოვნები დაწესებულია მხოლოდ გამონადენის დენზე, ე.ი. საცნობარო ძაბვის წყარომდე. ამ კონვერტაციის მეთოდის მინუსი არის მისი დაბალი შესრულება.

ADC-ებს ახასიათებთ მრავალი პარამეტრი, რაც შესაძლებელს ხდის სისტემის მოთხოვნების საფუძველზე კონკრეტული მოწყობილობის არჩევას. ყველა ADC პარამეტრი შეიძლება დაიყოს ორ ჯგუფად: სტატიკური და დინამიური. პირველი განსაზღვრავს მოწყობილობის სიზუსტის მახასიათებლებს მუდმივი ან ნელა ცვალებადი შეყვანის სიგნალთან მუშაობისას, ხოლო მეორე ახასიათებს მოწყობილობის მუშაობას, როგორც სიზუსტის შენარჩუნებას, როდესაც იზრდება შეყვანის სიგნალის სიხშირე.

შემავალი სიგნალის ნულის სიახლოვეს მდებარე კვანტიზაციის დონე შეესაბამება კოდთაშორის გარდამავალ ძაბვებს -0.5. U LSB და 0.5 U LSB (პირველი ხდება მხოლოდ ბიპოლარული შეყვანის სიგნალის შემთხვევაში). თუმცა, რეალურ მოწყობილობებში, ეს ინტერკოდის გარდამავალი ძაბვები შეიძლება განსხვავდებოდეს ამ იდეალური მნიშვნელობებისგან. ინტერკოდების გადასვლის ამ ძაბვების რეალური დონეების გადახრა მათი იდეალური მნიშვნელობებისგან ე.წ. ბიპოლარული ნულოვანი ოფსეტური შეცდომა (ბიპოლარული ნულოვანი შეცდომა ) და უნიპოლარული ნულოვანი ოფსეტური შეცდომა (ნულოვანი ოფსეტური შეცდომა ) შესაბამისად. ბიპოლარული კონვერტაციის დიაპაზონებისთვის ჩვეულებრივ გამოიყენება ნულოვანი ოფსეტური შეცდომა, ხოლო ერთპოლარული კონვერტაციის დიაპაზონებისთვის ჩვეულებრივ გამოიყენება ცალმხრივი ოფსეტური შეცდომა. ეს შეცდომა იწვევს რეალური ტრანსფორმაციის მახასიათებლის პარალელურ ცვლას იდეალურ მახასიათებელთან აბსცისის ღერძის გასწვრივ (ნახ. 3.7).

შეყვანის სიგნალის დონის გადახრა, რომელიც შეესაბამება ბოლო ინტერკოდის გადასვლას მისი იდეალური მნიშვნელობიდან U FSR -1.5 U LSB , დაურეკა სრული მასშტაბის შეცდომა (სრული მასშტაბის შეცდომა).

ADC კონვერტაციის კოეფიციენტი ეწოდება რეალური გარდაქმნის მახასიათებლის საწყისი და დასასრული წერტილებით გავლებული სწორი ხაზის დახრილობის კუთხის ტანგენსი. განსხვავებას კონვერტაციის კოეფიციენტის რეალურ და იდეალურ მნიშვნელობებს შორის ეწოდება კონვერტაციის ფაქტორის შეცდომა (მოგების შეცდომა ) (ნახ. 3.7 მოიცავს შეცდომებს სკალის ბოლოებში, მაგრამ არ შეიცავს შეცდომებს სკალის ნულზე). უნიპოლარული დიაპაზონისთვის ის განისაზღვრება, როგორც სხვაობა სრული მასშტაბის შეცდომასა და ერთპოლარული ნულოვანი ოფსეტური შეცდომას შორის, ხოლო ბიპოლარული დიაპაზონისთვის განისაზღვრება, როგორც სხვაობა სრული მასშტაბის შეცდომასა და ბიპოლარულ ნულოვანი ოფსეტის შეცდომას შორის. სინამდვილეში, ნებისმიერ შემთხვევაში, ეს არის იდეალური მანძილის გადახრა ბოლო და პირველ ინტერკოდურ გადასვლებს შორის (ტოლია U FSR -2 U LSB ) მისი რეალური ღირებულებიდან.

ნულოვანი კომპენსაციისა და მომატების შეცდომების კომპენსირება შესაძლებელია ADC წინასწარ გამაძლიერებლის რეგულირებით. ამისათვის თქვენ უნდა გქონდეთ ვოლტმეტრი 0.1-ზე უარესი სიზუსტით U LSB . ამ ორი შეცდომის დამოუკიდებლობის უზრუნველსაყოფად ჯერ შეასწორეთ ნულოვანი ოფსეტური შეცდომა და შემდეგ კონვერტაციის კოეფიციენტის შეცდომა.ADC ნულოვანი ოფსეტური შეცდომის გამოსასწორებლად, თქვენ უნდა:

1. დააყენეთ შეყვანის ძაბვა ზუსტად 0.5-ზე U LSB;

2. დაარეგულირეთ ADC წინასწარ გამაძლიერებლის ოფსეტური მანამ, სანამ ADC არ გადადის 00…01 მდგომარეობაში.

კონვერტაციის ფაქტორის შეცდომის გამოსასწორებლად აუცილებელია:

1. დააყენეთ შეყვანის ძაბვა ზუსტად დონეზე U FSR -1.5 U LSB;

2. დაარეგულირეთ ADC წინასწარ გამაძლიერებლის მომატება მანამ, სანამ ADC არ გადადის მდგომარეობაზე 11...1.

ADC მიკროსქემის ელემენტების არასრულყოფილების გამო, ADC მახასიათებლების სხვადასხვა წერტილში საფეხურები განსხვავდება სიდიდით და არ არის თანაბარი. U LSB (ნახ. 3.8).

ორი მიმდებარე რეალური კვანტიზაციის საფეხურის შუა წერტილებს შორის მანძილის გადახრა კვანტიზაციის საფეხურის იდეალური მნიშვნელობიდან U LSB დაურეკა დიფერენციალური არაწრფივიობა (DNL – დიფერენციალური არაწრფივობა).თუ DNL მეტი ან ტოლი U LSB , მაშინ ADC-ს შეიძლება ჰქონდეს ე.წ. „გამოტოვებული კოდები“ (ნახ. 3.3). ეს იწვევს ADC გადაცემის კოეფიციენტის ლოკალურ მკვეთრ ცვლილებას, რამაც დახურული მარყუჟის მართვის სისტემებში შეიძლება გამოიწვიოს სტაბილურობის დაკარგვა.

იმ აპლიკაციებისთვის, სადაც მნიშვნელოვანია გამომავალი სიგნალის შენარჩუნება მოცემული სიზუსტით, მნიშვნელოვანია, რომ ADC გამომავალი კოდები მაქსიმალურად ემთხვეოდეს კოდებს შორის გადასვლის ძაბვებს. კვანტიზაციის საფეხურის ცენტრის მაქსიმალურ გადახრას რეალურ ADC მახასიათებელზე წრფივი მახასიათებლიდან ე.წ. ინტეგრალური არაწრფივიობა (INL – ინტეგრალური არაწრფივობა) ანშედარებითი სიზუსტე (ფარდობითი სიზუსტე) ADC (ნახ. 3.9).

წრფივი მახასიათებელი შედგენილია რეალური ტრანსფორმაციის მახასიათებლის უკიდურეს წერტილებში, მას შემდეგ, რაც მოხდება მათი დაკალიბრება, ე.ი. აღმოფხვრილია ნულოვანი ოფსეტისა და კონვერტაციის ფაქტორის შეცდომები.

მარტივი საშუალებების გამოყენებით დიფერენციალურ და ინტეგრალურ არაწრფივობაში შეცდომების კომპენსირება თითქმის შეუძლებელია.

ADC გარჩევადობა (რეზოლუცია ) არის ADC-ის გამომავალზე კოდების კომბინაციების მაქსიმალური რაოდენობის ურთიერთმიმართება

(3.8).

ეს პარამეტრი განსაზღვრავს შეყვანის სიგნალის მინიმალურ დონეს (სრულ ამპლიტუდის სიგნალთან შედარებით) ADC-ს შეუძლია აღიქვას.

სიზუსტე და გარჩევადობა ორი დამოუკიდებელი მახასიათებელია. გარჩევადობა გადამწყვეტ როლს ასრულებს, როდესაც მნიშვნელოვანია შეყვანის სიგნალის მოცემული დინამიური დიაპაზონის მიწოდება. სიზუსტე კრიტიკულია, როდესაც აუცილებელია კონტროლირებადი ცვლადის შენარჩუნება მოცემულ დონეზე ფიქსირებული სიზუსტით.

ADC-ის დინამიური დიაპაზონი (DR - დინამიური დიაპაზონი ) არის მაქსიმალური აღქმული შეყვანის ძაბვის დონის შეფარდება მინიმუმთან, გამოხატული dB-ში

(3.9).

ეს პარამეტრი განსაზღვრავს ინფორმაციის მაქსიმალურ რაოდენობას, რომლის გადაცემაც ADC-ს შეუძლია. ასე რომ, 12-ბიტიანი ADC-სთვის DR =72 დბ.

რეალური ADC-ების მახასიათებლები განსხვავდება იდეალური მოწყობილობების მახასიათებლებისგან რეალური მოწყობილობის არაიდეალური ელემენტების გამო. განვიხილოთ რეალური ADC-ების დამახასიათებელი რამდენიმე პარამეტრი.

სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა(SNR - სიგნალის და ხმაურის თანაფარდობა ) არის შემავალი სინუსოიდური სიგნალის rms მნიშვნელობის თანაფარდობა ხმაურის rms მნიშვნელობასთან, რომელიც განისაზღვრება, როგორც ყველა სხვა სპექტრული კომპონენტის ჯამი შერჩევის სიხშირის ნახევარამდე, DC კომპონენტის გამოკლებით. იდეალურისთვისშეყვანის ძაბვის დიაპაზონი და LSB მნიშვნელობა -ბიტი ADC, რომელიც წარმოქმნის მხოლოდ კვანტიზაციის ხმაურს SNR , გამოხატული დეციბელებით, შეიძლება განისაზღვროს როგორც

(3.10),

სადაც ნ - ADC ბიტის მოცულობა. ასე რომ, 12-ბიტიანი იდეალური ADC-სთვის SNR =74 დბ. ეს მნიშვნელობა აღემატება იმავე ADC-ის დინამიურ დიაპაზონს, რადგან აღქმული სიგნალის მინიმალური დონე უნდა იყოს ხმაურის დონეზე მეტი. ეს ფორმულა ითვალისწინებს მხოლოდ კვანტიზაციის ხმაურს და არ ითვალისწინებს ხმაურის სხვა წყაროებს, რომლებიც არსებობს რეალურ ADC-ებში. ამიტომ, ღირებულებები SNR რეალური ADC-ებისთვის ის ჩვეულებრივ უფრო დაბალია ვიდრე იდეალური. ტიპიური ღირებულება SNR რეალური 12-ბიტიანი ADC-ისთვის არის 68-70 დბ.

თუ შეყვანის სიგნალს აქვს რხევა ნაკლები U FSR , მაშინ ბოლო ფორმულის კორექტირებაა საჭირო

(3.11),

სადაც KOS არის შეყვანის სიგნალის შესუსტება, გამოხატული dB-ში. ასე რომ, თუ 12-ბიტიანი ADC-ის შეყვანის სიგნალს აქვს სრული მასშტაბის ძაბვის ნახევარზე 10-ჯერ ნაკლები ამპლიტუდა, მაშინ KOS = -20 dB და SNR =74 dB – 20 dB = 54 dB.

რეალური ღირებულება SNR შეიძლება გამოყენებულ იქნას ADC ბიტების ეფექტური რაოდენობის განსაზღვრა( ENOB - ბიტების ეფექტური რაოდენობა ). იგი განისაზღვრება ფორმულით

(3.12).

ამ ინდიკატორს შეუძლია დაახასიათოს რეალური ADC-ის რეალური გადამწყვეტი უნარი SNR =68 dB სიგნალისთვის KOS = -20 dB არის რეალურად 7-ბიტიანი ( ENOB =7,68). ENOB მნიშვნელობა ძლიერ არის დამოკიდებული შემავალი სიგნალის სიხშირეზე, ე.ი. ADC-ის ეფექტური ბიტის მოცულობა მცირდება სიხშირის მატებასთან ერთად.

სრული ჰარმონიული დამახინჯება ( THD - სრული ჰარმონიული დამახინჯება ) არის ყველა უმაღლესი ჰარმონიის ფესვ-საშუალო კვადრატული მნიშვნელობების ჯამის შეფარდება ფუნდამენტური ჰარმონიის ფესვ-საშუალო კვადრატის მნიშვნელობასთან

(3.13),

სადაც ნ ჩვეულებრივ შეზღუდულია 6 ან 9 დონეზე. ეს პარამეტრი ახასიათებს ADC გამომავალი სიგნალის ჰარმონიული დამახინჯების დონეს შეყვანთან შედარებით. THD იზრდება შეყვანის სიგნალის სიხშირით.

სრული სიმძლავრის სიხშირის დიაპაზონი ( FPBW – სრული სიმძლავრის გამტარობა ) არის შემავალი სიგნალის მაქსიმალური პიკამდე სიხშირე, რომლის დროსაც რეკონსტრუირებული ფუნდამენტური კომპონენტის ამპლიტუდა მცირდება არაუმეტეს 3 დბ-ით. შეყვანის სიგნალის სიხშირის მატებასთან ერთად, ADC-ის ანალოგურ სქემებს აღარ აქვთ დრო, რომ დაამუშავონ მისი ცვლილებები მოცემული სიზუსტით, რაც იწვევს ADC-ის კონვერტაციის კოეფიციენტის შემცირებას მაღალ სიხშირეებზე.

დალაგების დრო (მოწესრიგების დრო ) არის დრო, რომელიც საჭიროა ADC-სთვის, რათა მიაღწიოს რეიტინგულ სიზუსტეს მას შემდეგ, რაც მის შეყვანაზე გამოყენებული იქნება საფეხურის სიგნალი, რომლის ამპლიტუდა ტოლია შემავალი სიგნალის სრულ დიაპაზონს. ეს პარამეტრი შეზღუდულია სხვადასხვა ADC კვანძების სასრული სიჩქარის გამო.

სხვადასხვა ტიპის შეცდომების გამო, რეალური ADC-ის მახასიათებლები არაწრფივია. თუ სიგნალი, რომლის სპექტრი შედგება ორი ჰარმონიისგან, გამოიყენება მოწყობილობის შესასვლელში არაწრფივიობით f a და f b , მაშინ ასეთი მოწყობილობის გამომავალი სიგნალის სპექტრში, ძირითადი ჰარმონიების გარდა, იქნება ინტერმოდულაციური სუბჰარმონიკა სიხშირეებით., სადაც m, n =1,2,3,... მეორე რიგის სუბჰარმონიაა f a + f b , f a - f b , მესამე რიგის სუბჰარმონია არის 2 f a + f b , 2 f a - f b , f a +2 f b , f a -2 f b . თუ შეყვანის სინუსოიდებს აქვთ მსგავსი სიხშირეები, რომლებიც განლაგებულია გამშვები ზოლის ზედა კიდესთან, მაშინ მეორე რიგის სუბჰარმონიკა შორს არის შეყვანის სინუსოიდებს და განლაგებულია ქვედა სიხშირის რეგიონში, ხოლო მესამე რიგის სუბჰარმონიკას აქვს სიხშირეები ახლოს. შეყვანის სიხშირეები.

ინტერმოდულაციის დამახინჯების ფაქტორი (ინტერმოდულატინის დამახინჯება ) არის გარკვეული რიგის ინტერმოდულაციის სუბჰარმონიების ფესვ-საშუალო კვადრატული მნიშვნელობების ჯამის თანაფარდობა ფუნდამენტური ჰარმონიების ფესვ-საშუალო კვადრატული მნიშვნელობების ჯამს, გამოხატული dB-ში.

(3.14).

ნებისმიერი ანალოგური ციფრული კონვერტაციის მეთოდი მოითხოვს გარკვეულ სასრულ დროს დასრულებას. ქვეშ ADC კონვერტაციის დრო (კონვერტაციის დრო ) ეხება დროის ინტერვალს იმ მომენტიდან, როდესაც ანალოგური სიგნალი მიდის ADC-ის შესასვლელში, სანამ არ გამოჩნდება შესაბამისი გამომავალი კოდი. თუ ADC-ის შემავალი სიგნალი დროთა განმავლობაში იცვლება, მაშინ ADC-ის სასრული კონვერტაციის დრო იწვევს ე.წ. დიაფრაგმის შეცდომა(ნახ. 3.10).

კონვერტაციის დაწყების სიგნალი მოდის ამ მომენტში t 0 , და გამომავალი კოდი გამოჩნდება მომენტში t 1 . ამ დროის განმავლობაში, შეყვანის სიგნალმა მოახერხა ოდენობით შეცვლადუ . ჩნდება გაურკვევლობა: შეყვანის სიგნალის რა დონეა დიაპაზონში U 0 – U 0 + დუ შეესაბამება ამ გამომავალ კოდს. კონვერტაციის სიზუსტის უმცირესი მნიშვნელოვანი ბიტის ერთიანობის დონეზე შესანარჩუნებლად, აუცილებელია, რომ კონვერტაციის დროს, სიგნალის მნიშვნელობის ცვლილება ADC-ის შეყვანისას უნდა იყოს არაუმეტეს ერთი უმცირესის მნიშვნელობაზე. მნიშვნელოვანი ცოტა

(3.15).

სიგნალის დონის ცვლილება კონვერტაციის დროს შეიძლება დაახლოებით გამოითვალოს როგორც

(3.16),

სადაც უინი - ADC შეყვანის ძაბვა,ტკ - კონვერტაციის დრო. (3.16) ჩანაცვლებით (3.15) მივიღებთ

(3.17).

თუ შეყვანა არის სინუსოიდური სიგნალი სიხშირითვ

(3.18),

მაშინ მისი წარმოებული იქნება ტოლი

(3.19).

ის იღებს თავის მაქსიმალურ მნიშვნელობას, როდესაც კოსინუსი უდრის 1-ს. ამის გათვალისწინებით (3.9) (3.7)-ში ჩანაცვლებით, მივიღებთ

, ან

(3.20)

ADC-ის სასრული კონვერტაციის დრო იწვევს შეყვანის სიგნალის ცვლილების სიჩქარის შეზღუდვის მოთხოვნას. დიაფრაგმის შეცდომის შესამცირებლად და ა.შ. ADC შეყვანის სიგნალის ცვლილების სიჩქარის შეზღუდვის შესუსტება კონვერტორის შეყვანაზე, ე.წ. "ნიმუშების შესანახი მოწყობილობა" (SSD) (ტრეკის/დაჭერის ერთეული ). UVH-ის გამარტივებული დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ. 3.11-ში.

ამ მოწყობილობას აქვს მუშაობის ორი რეჟიმი: შერჩევის რეჟიმი და ჩაკეტვის რეჟიმი. შერჩევის რეჟიმი შეესაბამება გასაღების დახურულ მდგომარეობასს.ვ. . ამ რეჟიმში, UVH-ის გამომავალი ძაბვა იმეორებს მის შეყვანის ძაბვას. ჩაკეტვის რეჟიმი გააქტიურებულია გახსნის გასაღების ბრძანებითს.ვ. . ამ შემთხვევაში, კავშირი წყდება UVH-ის შეყვანასა და გამომავალს შორის, ხოლო გამომავალი სიგნალი შენარჩუნებულია მუდმივ დონეზე, რომელიც შეესაბამება შეყვანის სიგნალის დონეს ფიქსაციის ბრძანების მიღების დროს, მუხტის დაგროვების გამო. კონდენსატორი. ამრიგად, თუ შეჩერების ბრძანება გაიცემა უშუალოდ ADC-ის კონვერტაციის დაწყებამდე, UVH-ის გამომავალი სიგნალი შენარჩუნდება მუდმივ დონეზე მთელი კონვერტაციის დროის განმავლობაში. კონვერტაციის დასრულების შემდეგ, UVH კვლავ გადადის შერჩევის რეჟიმში. რეალური UVH-ის მოქმედება გარკვეულწილად განსხვავდება იმ იდეალური შემთხვევისგან, რომელიც აღწერილი იყო (ნახ. 3.12).

(3.21),

სადაც ვ - შეყვანის სიგნალის სიხშირე,ტ ა - დიაფრაგმის გაურკვევლობის მნიშვნელობა.

რეალურ UVH-ებში, გამომავალი სიგნალი არ შეიძლება დარჩეს აბსოლუტურად უცვლელი სასრული კონვერტაციის დროს. კონდენსატორი თანდათან განმუხტავს გამომავალი ბუფერის მცირე შეყვანის დენით. საჭირო სიზუსტის შესანარჩუნებლად აუცილებელია, რომ კონვერტაციის დროს კონდენსატორის მუხტი არ შეიცვალოს 0,5-ზე მეტით. U LSB.

ციფრული ანალოგური გადამყვანები ჩვეულებრივ დამონტაჟებულია მიკროპროცესორული სისტემის გამოსავალზე მისი გამომავალი კოდების გარდაქმნის ანალოგურ სიგნალად, რომელიც მიეწოდება უწყვეტი კონტროლის ობიექტს. 3-ბიტიანი DAC-ის იდეალური სტატიკური მახასიათებელი ნაჩვენებია ნახ. 3.13.

დამახასიათებელი საწყისი წერტილი განისაზღვრება, როგორც პირველი (ნულოვანი) შეყვანის კოდის შესაბამისი წერტილი U 00…0 . საბოლოო წერტილის მახასიათებელიგანისაზღვრება, როგორც ბოლო შეყვანის კოდის შესაბამისი წერტილი U 11…1 . გამომავალი ძაბვის დიაპაზონის, კვანტიზაციის ერთეულის ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვანი ბიტის, ნულოვანი ოფსეტური ცდომილების და კონვერტაციის კოეფიციენტის შეცდომის განმარტებები მსგავსია ADC-ის შესაბამისი მახასიათებლების.

სტრუქტურული ორგანიზაციის თვალსაზრისით, DAC-ებს აქვთ ბევრად ნაკლები მრავალფეროვანი ვარიანტები კონვერტორის ასაშენებლად. DAC-ის ძირითადი სტრუქტურა არის ე.წ. "ჯაჭვი R -2 R დიაგრამა“ (სურ. 3.14).

ადვილია იმის ჩვენება, რომ წრედის შეყვანის დენი არის I in = U REF / R , და ჯაჭვის თანმიმდევრული რგოლების დინებები შესაბამისადმე in /2, I in /4, I in /8 და ა.შ. შეყვანის ციფრული კოდის გამომავალ დენად გადასაყვანად საკმარისია კონვერტორის გამომავალ წერტილში შევიტანოთ შეყვანის კოდის ერთეულების შესაბამისი მკლავების ყველა დენი (ნახ. 3.15).

თუ ოპერაციული გამაძლიერებელი დაკავშირებულია გადამყვანის გამომავალ წერტილთან, მაშინ გამომავალი ძაბვა შეიძლება განისაზღვროს როგორც

(3.22),

სადაც კ - ციფრული კოდის შეყვანა,შეყვანის ძაბვის დიაპაზონი და LSB მნიშვნელობა - DAC ბიტის სიღრმე.

ყველა არსებული DAC იყოფა ორ დიდ ჯგუფად: DACs მიმდინარე გამომავალი და DACs ძაბვის გამომავალი. მათ შორის განსხვავება მდგომარეობს DAC ჩიპში ოპერაციულ გამაძლიერებელზე საბოლოო ეტაპის არარსებობაში ან არსებობაში. ძაბვის გამომავალი DAC უფრო სრულყოფილი მოწყობილობებია და ფუნქციონირებისთვის საჭიროებს ნაკლებ დამატებით კომპონენტებს. თუმცა, საბოლოო ეტაპი, სატყეო წრედის პარამეტრებთან ერთად, განსაზღვრავს DAC-ის დინამიურ და სიზუსტის პარამეტრებს. ხშირად რთულია ზუსტი მაღალსიჩქარიანი ოპერაციული გამაძლიერებლის დანერგვა იმავე ჩიპზე, როგორც DAC. ამიტომ, მაღალსიჩქარიანი DAC-ების უმეტესობას აქვს დენის გამომავალი.

დიფერენციალური არაწრფივიობარადგან DAC განისაზღვრება, როგორც გამომავალი ანალოგური სიგნალის ორ მიმდებარე დონეს შორის მანძილის გადახრა იდეალური მნიშვნელობიდან U LSB . დიფერენციალური არაწრფივობის დიდმა მნიშვნელობამ შეიძლება გამოიწვიოს DAC არაერთფეროვნება. ეს ნიშნავს, რომ ციფრული კოდის ზრდა გამოიწვევს გამომავალი სიგნალის შემცირებას მახასიათებლის ზოგიერთ ნაწილში (ნახ. 3.16). ამან შეიძლება გამოიწვიოს სისტემაში არასასურველი გენერაცია.

ინტეგრალური არაწრფივიობა DAC-სთვის, რომელიც განისაზღვრება, როგორც ანალოგური გამომავალი სიგნალის დონის უდიდესი გადახრა სწორი ხაზიდან, რომელიც შედგენილია პირველი და ბოლო კოდის შესაბამისი წერტილების მეშვეობით მათი დარეგულირების შემდეგ.

დალაგების დრო DAC განისაზღვრება, როგორც დრო, რომლის დროსაც DAC გამომავალი სიგნალი დამყარდება მოცემულ დონეზე, შეცდომით არაუმეტეს 0.5. U LSB მას შემდეგ, რაც შეყვანის კოდი შეიცვალა 00...0 მნიშვნელობიდან 11...1 მნიშვნელობამდე. თუ DAC-ს აქვს შეყვანის რეგისტრები, მაშინ დასახლების დროის გარკვეული ნაწილი გამოწვეულია ციფრული სიგნალების გავლის ფიქსირებული შეფერხებით, ხოლო მხოლოდ დარჩენილი ნაწილი არის თავად DAC მიკროსქემის ინერციით. მაშასადამე, დალაგების დრო ჩვეულებრივ იზომება არა იმ მომენტიდან, როდესაც ახალი კოდი მოვა DAC-ის შეყვანაში, არამედ იმ მომენტიდან, როდესაც გამომავალი სიგნალი იწყებს ცვლილებას, რომელიც შეესაბამება ახალ კოდს, სანამ გამომავალი სიგნალი დადგინდება სიზუსტით. 0.5U LSB (ნახ. 3.17).

ამ შემთხვევაში დალაგების დრო განსაზღვრავს DAC-ის შერჩევის მაქსიმალურ სიხშირეს

(3.23),

სადაც ტ ს - დაარსების დრო.

DAC-ის შეყვანის ციფრულ სქემებს აქვთ სასრული სიჩქარე. გარდა ამისა, შეყვანის კოდის სხვადასხვა ბიტებთან შესაბამისი სიგნალების გავრცელების სიჩქარე არ არის იგივე ელემენტების პარამეტრების და მიკროსქემის მახასიათებლების ცვალებადობის გამო. ამის შედეგად, DAC კიბეების სქემის მკლავები არ იცვლება სინქრონულად ახალი კოდის მოსვლისას, მაგრამ ერთმანეთთან შედარებით გარკვეული დაგვიანებით. ეს მივყავართ იმ ფაქტს, რომ DAC-ის გამომავალი ძაბვის დიაგრამაზე, ერთი სტაბილური მნიშვნელობიდან მეორეზე გადასვლისას, შეინიშნება სხვადასხვა ამპლიტუდისა და მიმართულების ტალღები (ნახ. 3.18).

ოპერაციული ალგორითმის მიხედვით, DAC არის ნულოვანი რიგის ექსტრაპოლატორი, რომლის სიხშირის პასუხი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს გამოსახულებით

(3.24),

სად ვს - შერჩევის სიხშირე. DAC-ის ამპლიტუდა-სიხშირის პასუხი ნაჩვენებია ნახ. 3.20.

როგორც ჩანს, 0,5 სიხშირითვს რეკონსტრუირებული სიგნალი შესუსტებულია 3,92 დბ-ით სიგნალის დაბალი სიხშირის კომპონენტებთან შედარებით. ამრიგად, რეკონსტრუქციული სიგნალის სპექტრის უმნიშვნელო დამახინჯებაა. უმეტეს შემთხვევაში, ეს მცირე დამახინჯება მნიშვნელოვნად არ მოქმედებს სისტემის მუშაობაზე. თუმცა, იმ შემთხვევებში, როდესაც საჭიროა სისტემის სპექტრული მახასიათებლების გაზრდილი წრფივობა (მაგალითად, აუდიო დამუშავების სისტემებში), DAC-ის გამომავალზე მიღებული სპექტრის გასათანაბრებლად, აუცილებელია სპეციალური აღდგენის ფილტრის დაყენება სიხშირის პასუხით. ტიპი x/sin(x).

ნებისმიერი ADC არის რთული ელექტრონული მოწყობილობა, რომელიც შეიძლება დამზადდეს ერთი ინტეგრირებული მიკროსქემის სახით ან შეიცავდეს სხვადასხვა ელექტრონული კომპონენტების დიდ რაოდენობას. ამასთან დაკავშირებით, ADC-ის მახასიათებლები დამოკიდებულია არა მხოლოდ მის კონსტრუქციაზე, არამედ მისი შემადგენელი ელემენტების მახასიათებლებზე. ADC-ების უმეტესობა ფასდება მათი ძირითადი მეტროლოგიური ინდიკატორებით, რომლებიც შეიძლება დაიყოს ორ ჯგუფად: სტატიკური და დინამიური.

TO ADC-ის სტატიკური მახასიათებლები მოიცავს: შეყვანის სიგნალების აბსოლუტურ მნიშვნელობებს და პოლარობებს, შეყვანის წინააღმდეგობას, გამომავალი სიგნალების მნიშვნელობებს და პოლარობებს, გამომავალი წინააღმდეგობის, კვების წყაროების ძაბვისა და დენების მნიშვნელობებს, გამომავალი კოდის ორობითი ან ათობითი ციფრების რაოდენობას, DC. ძაბვის კონვერტაციის შეცდომები და ა.შ.

TO ADC-ის დინამიური პარამეტრები მოიცავს: კონვერტაციის დროს, ნიმუშის აღების მაქსიმალურ სიხშირეს, დიაფრაგმის დროს, დინამიურ შეცდომას და ა.შ.

მოდით შევხედოთ ზოგიერთ ამ პარამეტრს უფრო დეტალურად. ADC-ის მთავარი მახასიათებელია მისი რეზოლუცია , რომელიც, როგორც წესი, განისაზღვრება ADC-ის გამოსავალზე კოდების კომბინაციების მაქსიმალური რაოდენობის საპასუხოდ. გარჩევადობა შეიძლება გამოიხატოს პროცენტულად, ციფრების რაოდენობით ან ფარდობითი ერთეულებით.

მაგალითად, 10-ბიტიან ADC-ს აქვს გარჩევადობა (1024) -1 » 10 -3 = 0.1%. თუ ასეთი ADC-ის მასშტაბის ძაბვა არის 10 ვ, მაშინ გარჩევადობის აბსოლუტური მნიშვნელობა იქნება დაახლოებით 10 მვ.

რეზოლუციის რეალური მნიშვნელობა განსხვავდება გამოთვლილიდან ADC შეცდომების გამო. ADC-ის სიზუსტე განისაზღვრება აბსოლუტური შეცდომის, დიფერენციალური და ინტეგრალური არაწრფივობის მნიშვნელობებით. ADC-ის აბსოლუტური შეცდომა განისაზღვრება კონვერტაციის მახასიათებლის ბოლო წერტილში, ამიტომ მას ჩვეულებრივ უწოდებენ სრული მასშტაბის შეცდომას და იზომება LSB ერთეულებში.

დიფერენციალური არაწრფივიობა (DNL)განისაზღვრება ორი მიმდებარე სიგნალის ნამატის იდენტიფიკაციით, ანუ, როგორც ორი მიმდებარე კვანტების ძაბვის სხვაობა: DNL = hi-h i +1 .დიფერენციალური არაწრფივიობის განმარტება ნაჩვენებია ნახ. 2.3 ა.

ADC ინტეგრალური არაწრფივიობა (INL)ახასიათებს მატების იდენტურობას შეყვანის სიგნალის მთელ დიაპაზონში. ჩვეულებრივ განისაზღვრება, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 2.3 ბ,იდეალური სწორი ხაზისგან დამახასიათებელი გათლილი ტრანსფორმაციის მაქსიმალური გადახრით, ე.ი. INL = u i " – u i .

კონვერტაციის დრო T prჩვეულებრივ განისაზღვრება, როგორც დროის ინტერვალი კონვერტაციის დაწყებიდან, სანამ შეყვანის სიგნალის სტაბილური კოდი გამოჩნდება ADC გამომავალზე. ზოგიერთი ტიპის ADC-სთვის ეს დრო მუდმივია და არ არის დამოკიდებული შეყვანის სიგნალის მნიშვნელობაზე, ეს დრო დამოკიდებულია შეყვანის სიგნალის მნიშვნელობაზე. თუ ADC მუშაობს ნიმუშის და შეკავების მოწყობილობის გარეშე, მაშინ კონვერტაციის დრო არის დიაფრაგმის დრო.

შერჩევის მაქსიმალური სიჩქარე - მისი სიხშირე, რომლითაც შესაძლებელია შეყვანის სიგნალის კონვერტაცია, იმ პირობით, რომ არჩეული პარამეტრი (მაგალითად, აბსოლუტური შეცდომა) არ აღემატება მითითებულ ზღვრებს. ზოგჯერ კონვერტაციის მაქსიმალური სიხშირე მიიღება ტოლი კონვერტაციის დროის ორმხრივი. თუმცა, ეს არ არის შესაფერისი ყველა ტიპის ADC-სთვის.

ბრინჯი. 2.3. დიფერენციალური არაწრფივიობის განმარტება (a)

და ინტეგრალური არაწრფივიობა (ბ)

ADC დიზაინის პრინციპები

გამოყენებული ყველა ტიპის ADC შეიძლება დაიყოს გაზომილი ძაბვის მნიშვნელობის მიხედვით ორ ჯგუფად: მყისიერი ძაბვის მნიშვნელობების ADC და საშუალო ძაბვის მნიშვნელობების ADC (ADC-ების ინტეგრირება). ჯერ განვიხილოთ ADC-ები, რომლებიც საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ კოდი მყისიერი ძაბვის მნიშვნელობისთვის, შემდეგ კი განვიხილოთ ADC-ების ინტეგრირება და მათი გამოყენების მახასიათებლები.

მყისიერი ADCშეიძლება დაიყოს შემდეგ ძირითად ტიპებად: თანმიმდევრული დათვლა, თანმიმდევრული დაახლოება, პარალელური, პარალელურ-მიმდევრობითი და დროის ინტერვალზე შუალედური გადაყვანით.

ბლოკის დიაგრამა სერიული დათვლა ADC ნაჩვენებია ნახ. 2.4a. იგი შეიცავს შესადარებელს, რომელიც ადარებს შეყვანის ძაბვას უკუკავშირის ძაბვასთან. შედარების პირდაპირი შეყვანა იღებს შეყვანის სიგნალს შენ შედი, ხოლო შებრუნებულს - ძაბვა u 5უკუკავშირი. კონვერტორის მოქმედება იწყება საკონტროლო წრედან "START" პულსის მოსვლით (ეს არ არის ნაჩვენები ფიგურაში), რომელიც ხურავს გადამრთველს. ს.დახურული გასაღების მეშვეობით სიმპულსები u 1საათის პულსის გენერატორიდან ისინი იგზავნება მრიცხველში, რომელიც აკონტროლებს ციფრულ-ანალოგური გადამყვანის (DAC) მუშაობას. მრიცხველის გამომავალი კოდის თანმიმდევრული ზრდის შედეგად, ხდება გამომავალი ძაბვის თანმიმდევრული ეტაპობრივი ზრდა. u 5 DAC. DAC იკვებება საცნობარო ძაბვის წყაროდან u 4.

როდესაც DAC-ის გამომავალი ძაბვა უდრის შეყვანის ძაბვას, შედარებითი გადართავს და მისი "STOP" გამომავალი სიგნალი ხსნის გადამრთველს. ს.შედეგად, გენერატორიდან იმპულსები შეწყვეტენ მრიცხველის შეყვანას. ტოლობის შესაბამისი გამომავალი კოდი შენ შედი = u 5ამოღებულია მრიცხველის გამომავალი რეესტრიდან.

ბრინჯი. 2.4. ADC სერიული დათვლის ბლოკ-სქემა (a)

და კონვერტაციის პროცესის გრაფიკები (ბ)

გრაფიკები, რომლებიც ასახავს ძაბვის ციფრულ კოდში გადაქცევის პროცესს, ნაჩვენებია ნახ. 2.4 ბ.ამ გრაფიკებიდან ჩანს, რომ კონვერტაციის დრო ცვალებადია და დამოკიდებულია შეყვანის სიგნალის დონეზე. როცა მრიცხველის ორობითი ციფრების რაოდენობა უდრის ნდა იმპულსების დათვლის განმეორებითი პერიოდი თმაქსიმალური კონვერტაციის დრო შეიძლება განისაზღვროს ფორმულით:

T pr = (2 n - 1)T. (2.4)

ასე, მაგალითად, როდის ნ= 10 ციფრი და თ= 1 μs (ანუ საათის სიხშირეზე 1 MHz) მაქსიმალური კონვერტაციის დრო არის

T pr = (2 10 - 1) = 1024 μs » 1 ms.

რომელიც უზრუნველყოფს კონვერტაციის მაქსიმალურ სიხშირეს დაახლოებით 1 kHz.

სერიული დათვლის ADC კონვერტაციის განტოლება შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

kDU = uin,

სად 0 < k < n - შედარებამდე ნაბიჯების რაოდენობა, DU = სთ- ერთი ეტაპის მნიშვნელობა, ანუ კვანტიზაციის საფეხური.

ბლოკის დიაგრამა თანმიმდევრული დაახლოება ADC ნაჩვენებია ნახ. 2.5 ა. თანმიმდევრული დათვლის ADC წრესთან შედარებით, მასში განხორციელდა ერთი მნიშვნელოვანი ცვლილება - მრიცხველის ნაცვლად შემოღებულ იქნა თანმიმდევრული დაახლოების რეგისტრი (SAR). ამან შეცვალა დაბალანსების ალგორითმი და შეამცირა კონვერტაციის დრო.

ADC-ის მოქმედება RPP-ით ემყარება დიქოტომიის პრინციპს, ანუ გარდაქმნილი ძაბვის თანმიმდევრულ შედარებას. შენ შედიმისი შესაძლო მაქსიმალური მნიშვნელობის 1/2, 1/4, 1/8 და ა.შ U მ. ეს იძლევა საშუალებას ნ-ბიტი ADC ასრულებს მთელ კონვერტაციის პროცესს ნთანმიმდევრული დაახლოების საფეხურები (იტერაციები) ნაცვლად (2 n -1) თანმიმდევრული დათვლის გამოყენებისას და მიიღეთ მნიშვნელოვანი მოგება შესრულებაში. ADC-ის RPP-ით კონვერტაციის პროცესის გრაფიკი ნაჩვენებია ნახ. 2.5 ბ.

ბრინჯი. 2.5. თანმიმდევრული მიახლოების ADC (a) ბლოკ-სქემა,

კონვერტაციის პროცესის გრაფიკები (ბ) და გარდამავალი დიაგრამა

სამ ბიტიანი ADC-სთვის (in)

როგორც მაგალითი ნახ. 2.5 ვგვიჩვენებს გადასვლის დიაგრამას სამი ბიტიანი თანმიმდევრული ADC-ისთვის. ვინაიდან ყოველ საფეხურზე განისაზღვრება ერთი ბიტის მნიშვნელობა, დაწყებული ყველაზე მნიშვნელოვანით, ასეთ ADC-ს ხშირად უწოდებენ ბიტ-ბიტი ბალანსირებულ ADC-ს. პირველი შედარება განსაზღვრავს ძაბვა უფრო დიდია თუ ნაკლები შენ შიგნით,როგორ მმ/2.შემდეგი ნაბიჯი არის იმის დადგენა, თუ რომელ მეოთხედშია დიაპაზონი შენ შედი. ყოველი მომდევნო ნაბიჯი ორჯერ ავიწროებს შესაძლო შედეგების არეალს.

ყოველი შედარების საფეხურზე, შედარება აგენერირებს იმპულსებს, რომლებიც შეესაბამება „ნაკლებად დიდ“ მდგომარეობას (1 ან 0), რომლებიც აკონტროლებენ თანმიმდევრული მიახლოებების რეესტრს.

ბლოკის დიაგრამა პარალელური ADC ნაჩვენებია ნახ. 2.6. გადამყვანი ერთდროულად ახდენს შეყვანის სიგნალის კვანტიზაციას შენ შედისიგნალის წყაროსთან პარალელურად დაკავშირებული შედარების ნაკრების გამოყენებით. შედარების ზღვრული დონეები დაყენებულია რეზისტენტული გამყოფის გამოყენებით გამოყენებული კვანტიზაციის სკალის შესაბამისად. როდესაც სიგნალი გამოიყენება შედარების შეყვანებზე შენ შედიმათ გამოსავალზე ვიღებთ კვანტიზებულ სიგნალს, რომელიც წარმოდგენილია უნიტარულ კოდში.

ბრინჯი. 2.6. პარალელური ADC-ის ბლოკ-სქემა

უნიტარული კოდის ორობით (ან ორობით-ათწილად) კოდში გადასაყვანად გამოიყენება კოდირების გადამყვანი. ბინარულ კოდში მუშაობისას, ყველა გამყოფ რეზისტორს აქვს იგივე წინააღმდეგობა რ.ასეთი გადამყვანის კონვერტაციის დრო არის ერთი საათის ციკლი, ე.ი. T pr = T. პარალელური გადამყვანები ამჟამად ყველაზე სწრაფია და შეუძლიათ იმუშაონ 100 MHz-ზე მეტი შერჩევის სიხშირით.

საცნობარო ძაბვის გამყოფი არის დაბალი წინააღმდეგობის რეზისტორების კომპლექტი, რომელთა წინააღმდეგობაა დაახლოებით 1 Ohm. „კორექტირების“ პინის გამოყენებით შესაძლებელია შეყვანისას ნულოვანი დონის მიკერძოებული ძაბვის კორექტირება, ხოლო „კორექტირების“ პინის გამოყენებით, U op2- აბსოლუტური კონვერტაციის შეცდომა მასშტაბის ბოლო წერტილში. საცნობარო ძაბვების ნომინალური მნიშვნელობებია: U op1 =- 0,075 ... 0 ვ, და U op2= -2.1 ... -1.9 V. შედარების ტიპიური პასუხის დაყოვნება არის დაახლოებით 7 ns.

ბლოკის დიაგრამა სერიულ-პარალელური ADC ნაჩვენებია ნახ. 2.7. ასეთი ADC მუშაობს რამდენიმე საათის ციკლში. პირველ საათის ციკლში, ADC გარდაქმნის შეყვანის ძაბვის ყველაზე მნიშვნელოვან ბიტებს შენ შედიციფრულ კოდში (დიაგრამაში ეს არის ციფრები 2 3 ... 2 5). შემდეგ, მეორე საათის ციკლში, ეს ბიტები DAC-ის მიერ გარდაიქმნება ძაბვაში, რომელიც გამოკლებულია შემავალი სიგნალიდან გამომკლების მოწყობილობაში VU. მესამე ციკლში, ADC 2 გარდაქმნის მიღებულ განსხვავებას შეყვანის ძაბვის ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვანი ბიტების კოდში. შენ შედი .

ასეთი გადამყვანები ხასიათდებიან დაბალი სიჩქარით პარალელურებთან შედარებით, მაგრამ აქვთ შედარებით მცირე რაოდენობა. ასე რომ, მაგალითად, 6-ბიტიანი პარალელური ADC-სთვის საჭიროა 64 შედარება, ხოლო სერიის პარალელური ADC-სთვის - მხოლოდ 16.

ასეთ ADC-ებში ეტაპების რაოდენობა შეიძლება გაიზარდოს, რის გამოც მათ ხშირად უწოდებენ მრავალსაფეხურს ან მილსადენს. ასეთი ADC-ების გამომავალი კოდი არის კოდების ჯამი N = N 1 + N 2 + N 3 +...,გამომუშავებული ცალკეული კასკადებით.

ბრინჯი. 2.7. პარალელური სერიული ADC-ის ბლოკ-სქემა

სატესტო კითხვები:

1. ანალოგური ციფრული გადამყვანების დანიშნულება და კლასიფიკაცია.

2. ADC-ის ძირითადი მახასიათებლები.

3. ADC კონსტრუქციის ძირითადი პრინციპები.

4. სერიული დათვლის ADC წრე.

5. პარალელური ADC წრე.

6. პარალელურ-სერიული ADC წრე.

7. თანმიმდევრული მიახლოებების ADC-ის სქემა.

ორობითი კოდების 3 ტიპი

ეს სტატია განიხილავს ძირითად საკითხებს სხვადასხვა ტიპის ADC-ების მუშაობის პრინციპთან დაკავშირებით. ამავდროულად, ზოგიერთი მნიშვნელოვანი თეორიული გამოთვლა ანალოგური ციფრული გადაქცევის მათემატიკური აღწერასთან დაკავშირებით დარჩა სტატიის ფარგლებს გარეთ, მაგრამ მოწოდებულია ბმულები, სადაც დაინტერესებულ მკითხველს შეუძლია უფრო ღრმად განიხილოს თეორიული ასპექტები. ADC-ის ფუნქციონირება. ამრიგად, სტატია უფრო მეტად ეხება ADC-ების მუშაობის ზოგადი პრინციპების გაგებას, ვიდრე მათი მოქმედების თეორიულ ანალიზს.

შესავალი

როგორც ამოსავალი წერტილი, მოდით განვსაზღვროთ ანალოგური ციფრული კონვერტაცია. ანალოგური ციფრული კონვერტაცია არის შეყვანის ფიზიკური სიდიდის მის რიცხვობრივ წარმოდგენაში გადაქცევის პროცესი. ანალოგური ციფრული გადამყვანი არის მოწყობილობა, რომელიც ასრულებს ასეთ კონვერტაციას. ფორმალურად, ADC-ის შეყვანის მნიშვნელობა შეიძლება იყოს ნებისმიერი ფიზიკური რაოდენობა - ძაბვა, დენი, წინააღმდეგობა, ტევადობა, პულსის გამეორების სიჩქარე, ლილვის ბრუნვის კუთხე და ა.შ. თუმცა, დაზუსტებისთვის, შემდგომში, ADC-ით ჩვენ გავიგებთ ექსკლუზიურად ძაბვა-კოდზე გადამყვანებს.

ანალოგური ციფრული კონვერტაციის კონცეფცია მჭიდრო კავშირშია გაზომვის კონცეფციასთან. გაზომვაში ვგულისხმობთ გაზომილი მნიშვნელობის შედარების პროცესს რომელიმე სტანდარტთან ანალოგური ციფრული გადაქცევით, შეყვანის მნიშვნელობა შედარებულია ზოგიერთ საცნობარო მნიშვნელობასთან (ჩვეულებრივ, საცნობარო ძაბვასთან). ამრიგად, ანალოგური ციფრული გადაქცევა შეიძლება ჩაითვალოს შეყვანის სიგნალის მნიშვნელობის საზომად და მასზე ვრცელდება მეტროლოგიის ყველა ცნება, როგორიცაა გაზომვის შეცდომები.

ADC-ის ძირითადი მახასიათებლები

ADC-ს აქვს მრავალი მახასიათებელი, რომელთაგან მთავარია კონვერტაციის სიხშირე და ბიტის სიღრმე. კონვერტაციის სიხშირე ჩვეულებრივ გამოიხატება ნიმუშებში წამში (SPS), ხოლო ბიტის სიღრმე არის ბიტებში. თანამედროვე ADC-ებს შეიძლება ჰქონდეთ ბიტის სიგანე 24 ბიტამდე და კონვერტაციის სიჩქარე GSPS ერთეულებამდე (რა თქმა უნდა, არა ამავე დროს). რაც უფრო მაღალია სიჩქარე და ბიტის მოცულობა, მით უფრო რთულია საჭირო მახასიათებლების მიღება, მით უფრო ძვირი და რთულია გადამყვანი. კონვერტაციის სიჩქარე და ბიტის სიღრმე გარკვეულწილად დაკავშირებულია ერთმანეთთან და ჩვენ შეგვიძლია გავზარდოთ ეფექტური კონვერტაციის ბიტის სიღრმე სიჩქარის შეწირვით.

ADC-ების ტიპები

არსებობს მრავალი სახის ADC, მაგრამ ამ სტატიის მიზნებისთვის ჩვენ შემოვიფარგლებით მხოლოდ შემდეგი ტიპების განხილვით:

• პარალელური კონვერტაცია ADC (პირდაპირი კონვერტაცია, ფლეშ ADC)
• თანმიმდევრული დაახლოება ADC (SAR ADC)
• დელტა-სიგმა ADC (დამუხტვის დაბალანსებული ADC)

ასევე არსებობს სხვა ტიპის ADC-ები, მათ შორის მილსადენი და კომბინირებული ტიპები, რომლებიც შედგება რამდენიმე ADC-ისგან (ზოგადად) განსხვავებული არქიტექტურით. თუმცა, ზემოთ ჩამოთვლილი ADC არქიტექტურები ყველაზე წარმომადგენლობითია იმის გამო, რომ თითოეული არქიტექტურა იკავებს სპეციფიკურ ნიშას საერთო სიჩქარის ბიტის დიაპაზონში.

პირდაპირი (პარალელური) კონვერტაციის ADC-ებს აქვთ ყველაზე მაღალი სიჩქარე და ყველაზე დაბალი ბიტის სიღრმე. მაგალითად, Texas Instruments-ის TLC5540 პარალელურ ADC-ს აქვს 40MSPS სიჩქარე მხოლოდ 8 ბიტით. ამ ტიპის ADC-ებს შეიძლება ჰქონდეს 1 GSPS-მდე კონვერტაციის სიჩქარე. აქვე შეიძლება აღინიშნოს, რომ მილსადენის ADC-ებს აქვთ კიდევ უფრო დიდი სიჩქარე, მაგრამ ისინი წარმოადგენენ რამდენიმე ADC-ის კომბინაციას დაბალი სიჩქარით და მათი განხილვა სცილდება ამ სტატიის ფარგლებს.

ბიტის სიჩქარის სერიის შუა ნიშა უკავია თანმიმდევრული მიახლოებითი ADC-ებით. ტიპიური მნიშვნელობებია 12-18 ბიტი, კონვერტაციის სიხშირით 100KSPS-1MSPS.

უმაღლესი სიზუსტე მიიღწევა სიგმა-დელტა ADC-ებით, რომელთა ბიტის სიგანე 24 ბიტამდეა და სიჩქარე SPS-დან KSPS ერთეულებამდე.

ADC-ის კიდევ ერთი ტიპი, რომელიც გამოიყენებოდა ახლო წარსულში, არის ინტეგრირებული ADC. ინტეგრირებული ADC-ები ახლა თითქმის მთლიანად შეიცვალა სხვა ტიპის ADC-ებით, მაგრამ გვხვდება ძველ საზომ ინსტრუმენტებში.

პირდაპირი კონვერტაცია ADC

პირდაპირი კონვერტაციის ADC-ები ფართოდ გავრცელდა 1960-იან და 1970-იან წლებში და დაიწყო წარმოება ინტეგრირებული სქემების სახით 1980-იან წლებში. ისინი ხშირად გამოიყენება როგორც "მილსადენის" ADC-ების ნაწილი (ამ სტატიაში არ არის განხილული) და აქვთ 6-8 ბიტიანი სიმძლავრე 1 GSPS-მდე სიჩქარით.

პირდაპირი კონვერტაციის ADC არქიტექტურა ნაჩვენებია ნახ. 1

ბრინჯი. 1. პირდაპირი კონვერტაციის ADC-ის ბლოკ-სქემა

ADC-ის მუშაობის პრინციპი უკიდურესად მარტივია: შეყვანის სიგნალი ერთდროულად მიეწოდება შედარების ყველა "დადებით" შეყვანას, ხოლო ძაბვის სერია მიეწოდება "უარყოფითს", რომელიც მიიღება საცნობარო ძაბვისგან მათი გაყოფით. რეზისტორები R. სქემისთვის ნახ. 1 ეს მწკრივი იქნება ასეთი: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, სადაც Uref არის ADC საორიენტაციო ძაბვა.

მიეცით ძაბვა, რომელიც უდრის 1/2 Uref-ს ADC-ის შეყვანაზე. შემდეგ იმუშავებს პირველი 4 შედარება (თუ ქვემოდან ითვლით) და მათ გამოსავალზე გამოჩნდება ლოგიკური. პრიორიტეტული ენკოდერი შექმნის ორობით კოდს ერთ-ერთი "სვეტიდან", რომელიც დაფიქსირებულია გამომავალ რეესტრში.

ახლა ნათელი ხდება ასეთი გადამყვანის დადებითი და უარყოფითი მხარეები. ყველა შედარება მუშაობს პარალელურად, მიკროსქემის დაყოვნების დრო უდრის დაყოვნების დროს ერთ შედარებაში დამატებული დაყოვნების დრო ენკოდერში. შედარებითი და ენკოდერი შეიძლება გაკეთდეს ძალიან სწრაფად, რის შედეგადაც მთელ წრეს აქვს ძალიან მაღალი შესრულება.

მაგრამ N ბიტის მისაღებად საჭიროა 2^N შედარებითი (და შიფრატორის სირთულე ასევე იზრდება 2^N). სქემა ნახ. 1. შეიცავს 8 შედარებას და აქვს 3 ბიტი, 8 ბიტის მისაღებად საჭიროა 256 შედარება, 10 ბიტისთვის - 1024, 24-ბიტიანი ADC-ისთვის მათ დასჭირდებათ 16 მილიონზე მეტი, თუმცა ტექნოლოგიამ ჯერ არ მიაღწია ასეთ სიმაღლეებს.

თანმიმდევრული დაახლოება ADC

თანმიმდევრული მიახლოების რეგისტრი (SAR) ანალოგური ციფრული გადამყვანი ზომავს შეყვანის სიგნალის სიდიდეს რიგი თანმიმდევრული "წონით" შესრულებით, ანუ შეყვანის ძაბვის მნიშვნელობის შედარება მნიშვნელობების სერიასთან, რომელიც წარმოიქმნება შემდეგნაირად:

1. პირველ ეტაპზე ჩაშენებული ციფრულ-ანალოგური გადამყვანის გამომავალი დაყენებულია 1/2Uref-ის ტოლი სიდიდით (შემდგომში ვივარაუდოთ, რომ სიგნალი არის ინტერვალში (0 – Uref).

2. თუ სიგნალი აღემატება ამ მნიშვნელობას, მაშინ იგი შედარებულია ძაბვასთან, რომელიც დევს დარჩენილი ინტერვალის შუაში, ანუ, ამ შემთხვევაში, 3/4Uref. თუ სიგნალი ნაკლებია დადგენილ დონეზე, მაშინ შემდეგი შედარება განხორციელდება დარჩენილი ინტერვალის ნახევარზე ნაკლებით (ანუ 1/4Uref-ის დონესთან).

3. ნაბიჯი 2 მეორდება N-ჯერ. ამრიგად, N შედარება („წონა“) აწარმოებს შედეგის N ბიტს.

ბრინჯი. 2. თანმიმდევრული მიახლოების ADC-ის ბლოკ-სქემა.

ამრიგად, თანმიმდევრული დაახლოება ADC შედგება შემდეგი კვანძებისგან:

1. შედარება. იგი ადარებს შეყვანის მნიშვნელობას და "აწონის" ძაბვის მიმდინარე მნიშვნელობას (ნახ. 2, რომელიც მითითებულია სამკუთხედით).

2. ციფრული ანალოგური გადამყვანი (DAC). ის წარმოქმნის ძაბვის „წონას“ შეყვანის დროს მიღებული ციფრული კოდის საფუძველზე.

3. თანმიმდევრული დაახლოების რეესტრი (SAR). ის ახორციელებს თანმიმდევრული დაახლოების ალგორითმს, რომელიც წარმოქმნის კოდის მიმდინარე მნიშვნელობას, რომელიც მიეწოდება DAC-ის შეყვანას. მის სახელს ატარებს მთელი ADC არქიტექტურა.

4. Sample/Hold სქემა (Sample/Hold, S/H). ამ ADC-ის მუშაობისთვის ფუნდამენტურად მნიშვნელოვანია, რომ შეყვანის ძაბვა დარჩეს მუდმივი კონვერტაციის ციკლის განმავლობაში. თუმცა, "რეალური" სიგნალები დროთა განმავლობაში იცვლება. ნიმუშის და შეკავების წრე „იმახსოვრებს“ ანალოგური სიგნალის მიმდინარე მნიშვნელობას და ინარჩუნებს მას უცვლელად მოწყობილობის მთელი საოპერაციო ციკლის განმავლობაში.

მოწყობილობის უპირატესობა არის კონვერტაციის შედარებით მაღალი სიჩქარე: N-bit ADC-ის კონვერტაციის დრო არის N საათის ციკლი. კონვერტაციის სიზუსტე შემოიფარგლება შიდა DAC-ის სიზუსტით და შეიძლება იყოს 16-18 ბიტი (24-ბიტიანი SAR ADC-ები ახლა გამოჩნდა, მაგალითად, AD7766 და AD7767).

დელტა-სიგმა ADC

დაბოლოს, ADC-ის ყველაზე საინტერესო ტიპი არის სიგმა-დელტა ADC, რომელსაც ლიტერატურაში ზოგჯერ უწოდებენ დაბალანსებულ ADC-ს. სიგმა-დელტა ADC-ის ბლოკ-სქემა ნაჩვენებია ნახ. 3.

ნახ.3. სიგმა-დელტა ADC-ის ბლოკ-სქემა.

ამ ADC-ის მუშაობის პრინციპი გარკვეულწილად უფრო რთულია, ვიდრე სხვა ტიპის ADC. მისი არსი ის არის, რომ შეყვანის ძაბვა შედარებულია ინტეგრატორის მიერ დაგროვილ ძაბვის მნიშვნელობასთან. დადებითი ან უარყოფითი პოლარობის პულსები მიეწოდება ინტეგრატორის შეყვანას, შედარების შედეგიდან გამომდინარე. ამრიგად, ეს ADC არის მარტივი თვალთვალის სისტემა: ინტეგრატორის გამოსავალზე ძაბვა „თვალს უდევს“ შეყვანის ძაბვას (ნახ. 4). ამ სქემის შედეგი არის ნულების და ერთების ნაკადი შედარების გამოსავალზე, რომელიც შემდეგ გადადის ციფრული დაბალი გამტარი ფილტრის მეშვეობით, რის შედეგადაც მიღებულია N-ბიტიანი შედეგი. LPF ნახ. 3. შერწყმულია „დეციმატორთან“, მოწყობილობა, რომელიც ამცირებს წაკითხვის სიხშირეს მათი „დაშლით“.

ბრინჯი. 4. სიგმა-დელტა ADC როგორც თვალთვალის სისტემა

პრეზენტაციის სიმკაცრის მიზნით, უნდა ითქვას, რომ ნახ. სურათი 3 გვიჩვენებს პირველი რიგის სიგმა-დელტა ADC-ის ბლოკ დიაგრამას. მეორე რიგის სიგმა-დელტა ADC-ს აქვს ორი ინტეგრატორი და ორი უკუკავშირის მარყუჟი, მაგრამ აქ არ იქნება განხილული. ამ თემით დაინტერესებულ პირებს შეუძლიათ მიმართონ.

ნახ. სურათი 5 გვიჩვენებს სიგნალებს ADC-ში ნულოვანი შეყვანის დონეზე (ზედა) და Vref/2 დონეზე (ქვედა).

ბრინჯი. 5. სიგნალები ADC-ში სხვადასხვა შეყვანის სიგნალის დონეზე.

ახლა, რთული მათემატიკური ანალიზის გარეშე, შევეცადოთ გავიგოთ, რატომ აქვთ სიგმა-დელტა ADC-ებს ძალიან დაბალი ხმაურის იატაკი.

განვიხილოთ სიგმა-დელტა მოდულატორის ბლოკ-სქემა, რომელიც ნაჩვენებია ნახ. 3 და წარმოადგინეთ იგი ამ ფორმით (ნახ. 6):

ბრინჯი. 6. სიგმა-დელტა მოდულატორის ბლოკ-სქემა

აქ შედარება წარმოდგენილია როგორც შემკრები, რომელიც ამატებს უწყვეტ სასურველ სიგნალს და კვანტიზაციის ხმაურს.

დაე, ინტეგრატორს ჰქონდეს გადაცემის ფუნქცია 1/s. შემდეგ, გამოსაყენებელი სიგნალის სახით X(s), სიგმა-დელტა მოდულატორის გამომავალი როგორც Y(s) და კვანტიზაციის ხმაურის სახით E(s), ჩვენ ვიღებთ ADC გადაცემის ფუნქციას:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

სინამდვილეში, სიგმა-დელტა მოდულატორი არის დაბალი გამტარი ფილტრი (1/(s+1)) სასარგებლო სიგნალისთვის და მაღალი გამტარი ფილტრი (s/(s+1)) ხმაურისთვის, ორივე. ფილტრები, რომლებსაც აქვთ იგივე გამორთვის სიხშირე. სპექტრის მაღალი სიხშირის რეგიონში კონცენტრირებული ხმაური ადვილად მოიხსნება ციფრული დაბალი გამტარი ფილტრით, რომელიც მდებარეობს მოდულატორის შემდეგ.

ბრინჯი. 7. ხმაურის „გადაადგილების“ ფენომენი სპექტრის მაღალი სიხშირის ნაწილში

თუმცა, უნდა გვესმოდეს, რომ ეს არის სიგმა-დელტა ADC-ში ხმაურის ფორმირების ფენომენის უკიდურესად გამარტივებული ახსნა.

ასე რომ, სიგმა-დელტა ADC-ის მთავარი უპირატესობა მისი მაღალი სიზუსტეა, საკუთარი ხმაურის უკიდურესად დაბალი დონის გამო. თუმცა, მაღალი სიზუსტის მისაღწევად, აუცილებელია ციფრული ფილტრის ათვლის სიხშირე იყოს რაც შეიძლება დაბალი, ბევრჯერ ნაკლები სიგმა-დელტა მოდულატორის მუშაობის სიხშირეზე. ამიტომ, სიგმა-დელტა ADC-ებს აქვთ დაბალი კონვერტაციის სიჩქარე.

მათი გამოყენება შესაძლებელია აუდიო ინჟინერიაში, მაგრამ მათი ძირითადი გამოყენება სამრეწველო ავტომატიზაციაშია სენსორის სიგნალების კონვერტაციისთვის, საზომ ინსტრუმენტებში და სხვა აპლიკაციებში, სადაც საჭიროა მაღალი სიზუსტე. მაგრამ მაღალი სიჩქარე არ არის საჭირო.

ცოტა ისტორია

ისტორიაში ADC-ის უძველესი ნახსენები, ალბათ, არის პოლ მ. რეინის პატენტი, "ფაქსიმილური ტელეგრაფის სისტემა", აშშ. პატენტი 1,608,527, შეტანილია 1921 წლის 20 ივლისს, გამოშვებულია 1926 წლის 30 ნოემბერს. პატენტზე ასახული მოწყობილობა რეალურად არის 5-ბიტიანი პირდაპირი კონვერტაციის ADC.

ბრინჯი. 8. ADC-ის პირველი პატენტი

ბრინჯი. 9. პირდაპირი კონვერტაცია ADC (1975)

ნახატზე ნაჩვენები მოწყობილობა არის პირდაპირი კონვერტაციის ADC MOD-4100, წარმოებული კომპიუტერული ლაბორატორიების მიერ, წარმოებული 1975 წელს, აწყობილი დისკრეტული შედარების გამოყენებით. არის 16 შედარება (ისინი განლაგებულია ნახევარწრეში, რათა გაათანაბრონ სიგნალის გავრცელების შეფერხება თითოეულ შედარებისთვის), შესაბამისად, ADC-ს აქვს მხოლოდ 4 ბიტის სიგანე. კონვერტაციის სიჩქარე 100 MSPS, ენერგომოხმარება 14 ვატი.

შემდეგი სურათი გვიჩვენებს პირდაპირი კონვერტაციის ADC-ის გაფართოებულ ვერსიას.

ბრინჯი. 10. პირდაპირი კონვერტაცია ADC (1970)

1970 წლის VHS-630, წარმოებული კომპიუტერული ლაბორატორიების მიერ, შეიცავდა 64 შედარებას, იყო 6 ბიტიანი, 30 MSPS და მოიხმარდა 100 ვატს (1975 წლის VHS-675 ვერსიას ჰქონდა 75 MSPS და მოიხმარდა 130 ვატს).

ლიტერატურა

ვ.კესტერი. ADC Architectures I: Flash Converter. ანალოგური მოწყობილობები, MT-020 სახელმძღვანელო.