АЦП параллельного действия.

В основе метода параллельного действия лежит принцип одновременного сравнения входного напряжения со всеми квантованными уровнями. Для реализации такого принципа преобразования АЦП в своей структуре должен содержать 2ⁿ компараторов, где n – количество разрядов выходного двоичного кода (рис. 10.9). Каждый j-й компаратор DA1.j срабатывает при j-ом квантованном уровне. Самый первый компаратор DA1.1 имеет в качестве порогового напряжения квантованный уровень Q, второй компаратор DA1.2 – квантованный уровень Q+Q=2Q и т.д. Пороговые уровни задаются резистивным делителем, состоящим из 2ⁿ⁺¹ одинаковых резисторов R, делящим опорное напряжение U_REF на m=2ⁿ равных значений. Если на входе j-ого компаратора амплитуда входного аналогового сигнала U_вх превышает текущий квантованный уровень, то на его выходе формируется логическая единица. В противном случае на выходе этого компаратора формируется логический ноль. Сигналы с выходов всех компараторов поступают на вход быстродействующего двоичного шифратора DD1. На выходе этого шифратора формируется двоичный код, соответствующий максимальному номеру входа, на который поступает логическая единица с выхода соответствующего компаратора.

Так как все компараторы срабатывают одновременно, то преобразование осуществляется за один такт. Преимущество параллельного АЦП заключается в его максимальном быстродействии по сравнению с АЦП других типов. Максимальная частота f_c.max преобразования таких АЦП может достигать сотен МГц, что делает их незаменимыми в радиотехнике. Между тем очевиден недостаток параллельных АЦП – слишком сложная аппаратная реализация, связанная с большим количеством компараторов и резисторов делителя, геометрически возрастающим с увеличением разрядности выходного кода. Поэтому, параллельные АЦП имеют обычно не высокую разрядность выходного кода.

Рис. 10.9. Схема параллельного АЦП.

В заключение можно отметить, что функция АЦП в условных графических обозначениях задается комбинациями символов «D/A» или «L/#», а в маркировке микросхем – символами «ПВ». В последнее время широкое распространение получили АЦП и ЦАП с последовательной передачей выходного и входного кодов соответственно. Это означает, что передаваемый из преобразователя или в преобразователь двоичный код представляется не в параллельном, а в последовательном виде. Примерами подобных интерфейсов могут служить интерфейсы стандартов SPI и I²C. Протоколы этих интерефейсав будут рассмотрены в главе 12. Сейчас только отметим, что все разряды двоичного кода при последовательном протоколе обмена передаются поочередно путем их сдвига аналогично записи в последовательный регистр. Такая организация интерфейса обмена данными позволяет сократить число выводов микросхемы преобразователя. Например, существуют микросхемы 10-, 12-, и 16-разрядных АЦП и ЦАП всего с восемью выводами, включая выводы питания и управляющие. В структуре таких преобразователей присутствуют регистры сдвига, заполняемые или считываемые с помощью специальных синхронизирующих передачу импульсов «Clock». Разумеется, что такая организация обмена данными может снижать производительность с позиции скорости передачи и усложнять схему организации связи микросхемы АЦП/ЦАП с прочими устройствами. Но во многих случаях последовательная передача является преимущественной из-за малого количества внешних выводов микросхемы и, как следствие, малого размера микросхемы. Преобразователи с последовательной передачей кода широко используются при обработке сигналов в диапазоне звуковых частот, т.е. не превышающих десятки кГц.

Контрольные вопросы

1. Какие методы дискретизации аналоговых сигналов Вам известны?

2. Какие характеристика АЦП и ЦАП определяют их точность?

3. Какими недостатками обладает структура ЦАП со взвешенными резисторами?

4. Опишите принцип функционирования ЦАП с резисторной матрицей R-2R.

5. Сформулируйте принцип аналого-цифрового преобразования методом последовательного счета.

6. Почему следящие АЦП обладают более высоким быстродействием по сравнению с АЦП развертывающего преобразования?

7. Опишите работу АЦП двухтактного интегрирования. Какие элементы необходимо заменить в схеме для реализации АЦП двухтактного интегрирования с большей разрядностью выходного кода?

8. АЦП каких типов следует выбрать при оцифровке аналоговых сигналов с частотами в диапазоне сотен МГц и в диапазоне единиц Гц?

9. Каким преимуществом и недостатком обладает последовательный канал передачи двоичного кода в ЦАП или из АЦП?