Аналого-цифровые преобразователи конвейерного типа пока не нашли широкого внедрения в виде одной интегральной схемы. При этом по комплексу параметров: высокое быстродействие, минимальный объем элементов, малое потребление энергии, возможность интегрального исполнения - они могут составить конкуренцию широко применяемым АЦП. По быстродействию конвейерные АЦП незначительно уступают лишь параллельным АЦП, но имеют в сотни и тысячи раз меньше операционных усилителей (включенных по схеме без отрицательной обратной связи), выполняющих роль компараторов, более экономичны, надежны [2]. Например, 10-разрядный параллельный АЦП содержит 1024 ОУ (компараторов), а представленный в данной статье конвейерный АЦП - всего 20.
Общее для различных вариантов конвейерных АЦП - последовательное (конвейерное) соединение операционных усилителей (ОУ), число которых кратно числу разрядов АЦП. Это обстоятельство - главная причина, ограничивающая быстродействие и точность преобразования, т.к. задержка распространения сигнала, смещение и дрейф нуля операционных усилителей накапливаются от разряда к разряду.
Быстродействие конвейерных АЦП определяется быстродействием используемых в них операционных усилителей, числом разрядов и может быть охарактеризовано временем преобразования
где f0 - граничная частота усиления ОУ; n - число разрядов АЦП.
Так, известная схема преобразователя «аналог - код Грея» [1] содержит последовательно включенные блоки с V-образной передаточной характеристикой (рис. 1).
Рис. 1. V-образная характеристика
Основа такого блока - широко применяемая схема взятия модуля [7, 6]. Эта схема имеет ряд недостатков, особенно ощутимых при использовании ее в конвейерных АЦП: во-первых, нелинейность передаточной характеристики вблизи нуля на интервале 0,3-0,7 В (так называемый отрыв, обусловленный наличием диодов в цепи обратной связи ОУ); во-вторых, схема содержит два ОУ, что приводит к двойному увеличению задержки распространения сигнала, накоплению смещения и дрейфа нуля, увеличению потребляемой мощности, снижению надежности и т.д. Например, для 10-разрядного АЦП известная схема содержит 40 ОУ.
Улучшить характеристики такого АЦП можно, применив в V-блоках прецизионную схему взятия модуля, которая содержит в каждом каскаде лишь один ОУ [4]. Структура усовершенствованного АЦП приведена на рис. 2.
Рис. 2. АЦП в код Грея
Для описания его работы достаточно рассмотреть действие одного V-блока. Если Uвх(t) < 0, то на выходе нуль-компаратора НК - уровень логического нуля. При этом аналоговый ключ К закрыт. Коэффициент передачи ОУ для входного сигнала равен
Если Uвх(t) > 0, то на выходе НК - уровень логической единицы, ключ К открыт и входной сигнал поступает одновременно на оба входа ОУ. Коэффициент передачи по неинвертирующему входу равен
а результирующий коэффициент передачи k = -2 + 4 = 2.
Таким образом, происходит взятие модуля входного сигнала с одновременным усилением в два раза. Для смещения входного сигнала на величину U0 инвертирующий вход ОУ соединен с источником эталонного напряжения через резистор 2R.
На рис. 3 приведена принципиальная схема шестиразрядного двуполярного АЦП «аналог-код Грэя», дополненная преобразователем «код Грэя - нормальный двоичный код».
На рис. 4 приведены осциллограммы, которые иллюстрируют работу АЦП.
Рис. 3. Принципиальная схема АЦП
Рис. 4. Осциллограммы работы АЦП
Минимальное количество элементов резко снижает энергопотребление, делая предлагаемое решение очень экономичным. Например, АЦП К1107ПВ2 [5] потребляет ток в сотни мА, а наше решение - не более 10 мА. Часто это обстоятельство - решающее, например, в автономной аппаратуре длительного мониторинга (годы), вживленные кардиостимуляторы и т.д. Нет никаких препятствий реализовать эту структуру на одном чипе, однако, можно привести примеры из практики, когда при отсутствии типовых АЦП с подобным сочетанием характеристик можно быстро реализовать АЦП по схеме, приведенной на рис. 3 с использованием SMD-технологии. Широкое применение АЦП на железнодорожном транспорте обусловлено переходом информационных систем на цифровую обработку сложных сигналов [3].
Рецензенты:
-
Нестеров В.Л., д.т.н., профессор кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Уральского государственного университета путей сообщения, г. Екатеринбург;
-
Иванов В.Э., д.т.н., профессор Института радиоэлектроники и информационных технологий Уральского федерального университета, г. Екатеринбург.
Работа поступила в редакцию 18.05.2012.