Инструментальные аналоговые и цифровые интегральные микросхемы

Рассматриваемые в данной главе функциональные микроэлектронные устройства нельзя однозначно отнести только к аналоговым или только к цифровым. У таких изделий или их выходные сигналы являются цифровыми и наоборот, или они управляются цифровыми сигналами. В зависимости от выполняемых функций этот тип функциональных узлов относится к аналого-цифровым (АЦП) либо к цифро-аналоговым (ЦАП) преобразователям.

1. Цифро–аналоговые интегральные преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи предназначены для создания выходной аналоговой величины, соответствующей цифровому коду, поступившему на вход преобразователя.

Простейший ЦАП можно построить на основе ОУ с весовыми резисторами на входе (рис. 83). Каждый из аналоговых ключей K₀ … K_{N -1} может находиться в одном из двух состояний: закрытом или открытом.

Выбрав E_on, R, R_oc таким, чтобы было справедливо равенство

Характеристика преобразования (ХП). При подаче на вход ЦАП цифровых двоичных комбинаций, управляющих состояниями ключей и меняющихся от 0 до, 2^N – 1 , на его выходе появится ступенчато нарастающее напряжение. Высота каждой ступени соответствует шагу квантования D U_кв. Так как D U_кв определяет минимальное значение выходное напряжения аналогового сигнала

где D U_пш – напряжение полной шкалы, соответствующее максимальному выходному напряжению, 2^N – 1 – количество ступеней квантования.

Абсолютная погрешность преобразования d_пш показывает максимальное отклонение выходного напряжения в конечной точке реальной характеристики преобразования от выходного напряжения в конечной точке идеальной характеристики преобразования (рис. 86).

Нелинейность преобразования ЦАП d_лн определяет максимальное отклонение реальной ХП от идеальной и оценивается также в долях ЕМР.

Дифференциальная нелинейность преобразования ЦАП – d_диф.лн численно равна максимальной разности двух соседних шагов квантования.

Время установления t_уст выходного напряжения или тока – интервал времени от начала изменения выходного двоичного кода от минимального до максимального значения до момента когда выходной аналоговый сигнал достигнет заданной величины.

Максимальная частота преобразования f_пр – наибольшая частота смены входных кодовых наборов.

Для того чтобы функция U^*(t) полностью отображала U(t), необходимо определенным обра-зом выбирать T и t .

В процессе аналого-цифрового преобразования, который длится некоторое время Дt_a = t₂ – t₁ (рис. 89.), сигнал (переменный) изменяет свое значение на некоторую величину ДU_a .

Интервал времени Дt_a = ф называют аппертурным временем, а величину ДU_a – аппертурной ошибкой:

Кроме того, значение двоичного кода, полученное в момент времени t₂ не будет соответствовать значению сигнала в момент времени t₁, с которым этот код отождествляют.

Оценим величину аппертурной ошибки в зависимости от аппертурного времени на примере гармонического сигнала U₀sin щ₀ t.

Если потребовать, чтобы ДU_max не превышала единицы младшего разряда (в двоичном коде), то для N–разрядного АЦП должно выполняться условие:

Полученное выражение позволяет оценить требуемое аппертурное время АЦП при преобразовании сигнала с щ_В = щ₀ при заданной ошибке преобразования как

Проведем сравнительный анализ величин Дt_a и T. Из теоремы Котельникова следует, что

Полученные ограничения на Дt_a предъявляют очень жесткие требования к быстродействию АЦП. В быстродействующих АЦП данная проблема решается путем применения устройств выборки-хранения (УВХ). УВХ запоминают уровень преобразуемого сигнала в точке t₁ (рис. 89) и хранит этот уровень до момента t₂. Это позволяет существенно уменьшить аппертурную ошибку, а аппертурное время АЦП увеличить до величины практически равной интервалу дискретизации.

АЦП состоит из компаратора, ЦАП, двоичного счетчика, выходного буферного регистра. После команд СБРОС и ПУСК, подаваемых на АЦП, импульсы тактового генератора начинают увеличивать показания счетчика, а, следовательно, и выходной сигнал ЦАП Ч(t) ступеньками по Дx. Компаратор определяет разницу между Ч и Б. Если окажется, что Ч – Б > 0, компаратор вырабатывает сигнал СТОП, счетчик останавливается и индицирует двоичный код, эквивалентный входному сигналу U_вх = Б. Недостатком такой схемы АЦП является ее низкое быстродействие, зависящее от величины входного сигнала.

Например, пусть f_T = 10 мГц и число разрядов счетчика N = 12. Максимальное число импульсов заполнения счетчика

, тогда максимальная частота отсчетов входного сигнала составит F_отсч ≤ f_T/K ≈ 10⁷/(4 · 10³) = 2,5 · 10³ Гц, а высшая частота в спектре входного сигнала не может превысить F_в ≤ 1,25 · 10³ Гц.

После пуска схемы первым тактовым импульсом регистр памяти (РП) устанавливает старший разряд ЦАП в единицу. При этом, если U_вх > U_ЦАП, то компаратор подтверждает состояние РП и ЦАП. Следующим тактовым импульсом единица устанавливается в следующим за старшим разряде. Если окажется, что U_вх < U_ЦАП , последняя установленная в ЦАП единица заменяется компаратором на ноль, и очередная единица записывается в последующий разряд. Описанные выше действия повторяются до N-го младшего разряда. Таким образом, после N тактов сравнения U_вх и U_ЦАП, в регистре памяти сформируется N-разрядный двоичный код, который является цифровым эквивалентом входного аналогового сигнала.

При той же частоте тактового генератора f_T = 10 мГц и разрядности ЦАП N = 12 преобразование будет выполнено за 12 периодов f_T, т. е. частота отсчетов входного сигнала достигнет F_отсч = f_T/12 = 10⁷/12 = 830 кГц, а высшая частота преобразуемых сигналов F_В ≈ 400 кГц.

Основным элементом N-разрядного АЦП являются 2^N – 1 компараторов напряжения. На один из двух входов каждого компаратора подается свое опорное напряжение, формируемое резистивной матрицей. Разность между опорными напряжениями двух соседних компараторов равна U_m/ 2^N–1. Другие входы объединены, и на них подается входной сигнал. На выходах компараторов устанавливаются напряжения нуля или единицы, соответствующие сигналам на входах компараторов в момент прихода фронта тактового импульса.

После окончания импульса опроса в компараторах хранится информация о мгновенном значении входного сигнала, представленная в виде (2^N – 1) -разрядного слова. Дешифратор представляет это слово в виде N-разрядного кода, который хранится в буферном регистре.

Поскольку каждая из 2^N – 1 градаций входного сигнала оцифровывается отдельным компаратором, то время преобразования в таком АЦП определяется временем переключения компаратора и является минимально возможным.

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Инструментальные аналоговые и цифровые интегральные микросхемы

1. Цифро–аналоговые интегральные преобразователи

Параметры ЦАП

2. Аналоговые компараторы напряжения

3. Аналого-цифровые преобразователи

АЦП последовательного приближения