Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №8

Журнал «Домашняя лаборатория»

По этим причинам в более новых АЦП последовательного приближения стали популярными ЦАП с коммутируемыми конденсаторами (или конденсаторами с перераспределением заряда). Преимущество ЦАП с коммутируемыми конденсаторами состоит в том, что их точность и линейность определяются, прежде всего, качеством фотолитографии, которое, в свою очередь, зависит от площади конденсаторных пластин, емкости и соотношения емкостей конденсаторов. Кроме того, для достижения высокой точности и линейности конденсаторы малой емкости могут подключаться параллельно основным конденсаторам или отключаться от них в соответствии с алгоритмом автокалибровки без необходимости применения тонкопленочной лазерной подстройки.

Согласование температурных характеристик коммутируемых конденсаторов может быть лучше, чем 1 ррт/°С, чем и обеспечивается высокая температурная стабильность. Простой 3-разрядный ЦАП на переключаемых конденсаторах представлен на рис. 3.4.

Переключатели (коммутаторы)

показаны в режиме выборки, или дискретизации, когда напряжением аналогового входного сигнала A_IN регулярно заряжается и разряжается параллельная комбинация всех конденсаторов. Режим хранения инициируется открытием S_IN. При этом напряжение аналогового входного сигнала на конденсаторной матрице остается дискретным. Затем открывается переключатель Sc, разрешая изменения Напряжения в точке А по мере коммутации переключателей разрядов. Если S1, S2, S3 и S4 замкнуты на «землю», в точке А появляется напряжение, равное — A_IN. Замыкание S1 на V_RE добавляет к — A_IN напряжение, равное V_REF/2. Затем компаратор принимает решение относительно значения старшего значащего разряда, и РПП либо оставляет S1 соединенным с V_REF, либо подключает его к «земле», в зависимости от сигнала на выходе компаратора (нулевое или единичное значение выхода компаратора зависит от того, является ли напряжение в узле отрицательным или положительным). Аналогичный процесс проходит и в оставшихся двух разрядах. В конце интервала преобразования S1, S2, S3, S4 и S_IN замыкаются на A_IN, S_C подключается к «земле», после чего преобразователь готов к новому циклу.

Обратите внимание, что для выполнения двоичного деления при управлении конденсаторами отдельных разрядов требуется дополнительный конденсатор младшего разряда (LSB) (емкостью С/4 в случае 3-разрядного ЦАП) для того, чтобы полное значение емкости конденсаторной матрицы равнялось 2С.

Работа "конденсаторного" ЦАП подобна работе резистивного R/2R ЦАП. Когда индивидуальный конденсатор разряда подключен к V_REF, делитель напряжения, созданный конденсатором разряда и общей емкостью матрицы (2С), добавляет в точке А напряжение, равное весу этого разряда. Когда индивидуальный конденсатор разряда подключен к «земле», такое же напряжение, пропорциональное весу этого разряда, вычитается из суммарного напряжения в точке А.

Будучи весьма популярными, АЦП последовательного приближения поставляются с широкой гаммой разрешающих способностей, частот дискретизации, опций ввода-вывода, конструктивного исполнения и стоимостных показателей. Невозможно перечислить все их типы, поэтому на рис. 3.5 представлен ряд последних, наиболее представительных РПП АЦП последовательного приближения компании Analog Devices. Обратите внимание, что многие устройства являются полными системами сбора данных с входными мультиплексорами, которые позволяют одному "ядру" АЦП обрабатывать много аналоговых каналов.

Несмотря на некоторые различия, основные принципы синхронизации большинства АЦП последовательного приближения сходны и достаточно просты (см. рис. 3.6). Процесс преобразования инициируется сигналом CONVERT START. Сигнал представляет собой отрицательный импульс, положительный фронт которого запускает преобразование. Устройство выборки-хранения (УВХ) этим фронтом устанавливается в режим хранения и, используя алгоритм последовательного приближения, определяет различные разряды. Отрицательный фронт импульса устанавливает высокий уровень сигналов или BUSY. По завершении преобразования устанавливается низкий уровень сигнала BUSY. В большинстве случаев задний фронт сигнала BUSY может использоваться в качестве индикатора корректности выходных данных и его можно использовать для записи выходных данных во внешний регистр. Но вследствие множества различий в терминологии и конструкции различных АЦП, при использовании определенного АЦП, следует всегда принимать во внимание конкретную спецификацию.

Необходимо также отметить, что некоторые АЦП последовательного приближения дополнительно к команде CONVERT START требуют внешней высокочастотной синхронизации, хотя в большинстве случаев необходимости в двух синхронизаторах нет. Частота внешнего синхронизатора, если он требуется, находится в диапазоне от 1 МГц до 30 МГц в зависимости от времени преобразования и разрешающей способности АЦП. В других АЦП последовательного приближения есть внутренний генератор, который используется для выполнения преобразования и требует

только команды CONVERT START. Благодаря своей архитектуре, АЦП последовательного приближения допускают любую скорость повторения однократного преобразования, от 0 до максимального быстродействия преобразователя.

В АЦП последовательного приближения выходные данные, соответствующие дискретному входному сигналу, формируются в конце соответствующего интервала преобразования. Иначе обстоит дело в АЦП, построенных с использованием другой архитектуры, таких как сигма-дельта АЦП или АЦП с двухступенчатым конвейером, представленный на рис. 3.7.

Показанный на рисунке АЦП является 12-разрядным двухступенчатым конвейерным (pipelined), или субинтервальным, преобразователем. Первое преобразование выполняется 6-разрядным АЦП, который управляет 6-разрядным ЦАП. На выходе 6-разрядного ЦАП получается 6-разрядное приближение аналогового входного сигнала. Обратите внимание, что УВХ2 осуществляет временную задержку аналогового сигнала, пока 6-разрядный АЦП производит преобразование и 6-разрядный ЦАП устанавливает требуемый сигнал на выходе. Затем полученное с помощью ЦАП приближение вычитается из аналогового сигнала на выходе УВХ2, результат усиливается и оцифровывается 7-разрядным АЦП. Результаты этих двух преобразований объединяются, и дополнительный разряд используется для исправления ошибки, полученной при первом преобразовании. Типичные временные соотношения, соответствующие преобразователю этого типа, показаны на рис. 3.8. Важно, что выходные данные, представленные сразу после отсчета X, фактически соответствуют отсчету Х-2, то есть существует конвейерная задержка в два такта. Конвейерная архитектура свойственна высокоскоростным АЦП и, в большинстве случаев, конвейерная задержка не является главной проблемой системы в большинстве приложений, где используется этот тип преобразователя.

Конвейерные АЦП могут иметь более двух тактов задержки в зависимости от специфики своей архитектуры. Например, возможно выполнение преобразования за три, четыре или, возможно, даже большее количество конвейерных ступеней, что вызывает дополнительную задержку выходных данных.

Поэтому, если АЦП используется в событийно-управляемом (event-triggered) (или однократном single-shot) режиме, требующем однозначного соответствия времени между каждым отсчетом и соответствующими данными, то конвейерная задержка может привести к нежелательному результату, и в этом случае более предпочтительна архитектура АЦП последовательного приближения. Конвейерная задержка или ожидание могут также создать проблемы в высокоскоростных системах управления с обратной связью или в приложениях с мультиплексированием данных. Кроме того, некоторые конвейерные преобразователи рассчитаны на определенную минимально допустимую скорость преобразования и должны непрерывно поддерживаться в рабочем состоянии для предотвращения насыщения внутренних узлов.

АЦП последовательного приближения с коммутируемыми конденсаторами имеет небуферированные входные цепи, подобные схеме, показанной на рис. 3.9 для АЦП AD7858/59. За время сбора данных аналоговый входной сигнал должен зарядить эквивалентную входную емкость 20 пФ до необходимой величины. Если входной сигнал является сигналом постоянного тока, то сопротивление источника Rs, включенное последовательно с внутренним сопротивлением выключателя 125 Ом, создает задержку с некоторой постоянной времени. Для достижения 12-разрядной точности необходимо предусмотреть интервал ожидания, соответствующий приблизительно промежутку в 9 постоянных времени для стабилизации сигнала на входе. Это определяет минимальное допустимое время выборки (достижение 14-разрядной точности требует приблизительно 10 постоянных времени, а 16-разрядная точность требует приблизительно 11 постоянных времени).

t_ACQ > 9 x (R_S + 125) Ом х 20 пФ.

Например, если R_S = 50 Ом, то время выборки в этой формуле должно быть, по крайней мере, 310 нc.

В приложениях переменного тока, чтобы предотвратить искажения из-за нелинейности входной цепи АЦП, должны использоваться источники сигнала с низким выходным сопротивлением. В случае приложения с однополярным питанием должен использоваться полнодиапазонный (rail-to-rail) операционный усилитель типа AD820 с малым временем установки выходного сигнала. Малое время установки позволяет операционному усилителю быстро устранять возникающие на его входе токи переходного режима, вызванные внутренними переключениями АЦП. На рис. 3.9 AD820 управляет ФНЧ, состоящим из резистора 50 Ом и конденсатора 10 нФ (частота среза приблизительно 320 КГц). Этот фильтр удаляет высокочастотные компоненты, которые могут приводить к эффекту наложения и уменьшают шум.