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 электромагнитное и другие поля есть различные типы колебаний, деформаций и вариаций давления в эфире.
Понятие же "физического вакуума" в релятивистской квантовой теории поля подразумевает, что во-первых, он не имеет физической природы, в нем лишь виртуальные частицы у которых нет физической системы отсчета, это "фантомы", во-вторых, "физический вакуум" - это наинизшее состояние поля, "нуль-точка", что противоречит реальным фактам, так как, на самом деле, вся энергия материи содержится в эфире и нет иной энергии и иного носителя полей и вещества кроме самого эфира.
В отличие от лукавого понятия "физический вакуум", как бы совместимого с релятивизмом, понятие "эфир" подразумевает наличие базового уровня всей физической материи, имеющего как собственную систему отсчета (обнаруживаемую экспериментально, например, через фоновое космичекое излучение, - тепловое излучение самого эфира), так и являющимся носителем 100% энергии вселенной, а не "нуль-точкой" или "остаточными", "нулевыми колебаниями пространства". 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