Электроника - практический курс - Джонс М.Х.
ISBN 5-901095-01-4
Скачать (прямая ссылка):
та схемы преобразователя оказывается чрезмерно жестким. Даже малые
отклонения уровней на выходе ЦАП от их номинальных значений,
обусловленные разбросом параметров, и различное время срабатывания ключей
могут привести к провалам в проходной характеристике и даже к пропуску
отдельных двоичных комбинаций на выходе.
Сегодняшние скоростные цифровые схемы позволяют создавать
преобразователи, действующие по принципу избыточной дискретизации и
работающие с частотой выборок, значительно превосходящей теоретический
минимум, определяемый шириной занимаемой сигналом полосы. Выгода от
применения избыточной дискретизации заключается в том, что спектр шума
квантования можно распределить по более широкому интервалу частот. Это
дает возможность большую часть шума оставить "вне поля зрения" при
обратной фильтрации дискретизованного сигнала с сохранением компонентов
только в полосе исходного сигнала. При подходящем дрожании, вводимом с
самого начала, увеличение наблюдаемого отношения сигнал/шум реально дает
большую разрешающую способность, так что число разрядов, получаемых в
результате аналого-цифрового преобразования, увеличивается за счет
интерполяции между уровнями, которые дает преобразователь. Улучшение
отношения сигнал/шум SNR на каждые 6 дБ соответствует увеличению
разрешения на 1 бит, так что при взятии выборок достаточно часто даже 1-
разрядный преобразователь может обеспечить высокое разрешение.
В методе избыточной дискретизации, называемом также дельта-сигма
преобразованием, типичное значение коэффициента избыточности составляет
256 и более. Применяя обработку, обеспечивающую оптимальное формирование
спектра шума, можно достичь разрешения в 18 бит и более при 1-разрядном
преобразователе. Этот принцип используется также в ЦАП большинства CD-
плейеров, где применен ряд фирменных разработок. Два примера таких
конструкций - это модуляция частоты следования импульсов (Pulse Density
Modulation, PDM) и многокаскадное формирование спектра шума (Multi-stAge
noise SHaping, MASH), известные также как битстрим-преобразование
(Bitstream, поток битов).
(Ь) 1-разрядное аналого-цифровое преобразование. Отличительной чертой
1-разрядного АЦП по сравнению с многоразрядными преобразователями
является то, что в нем одни и те же аналоговые компоненты используются
многократно в течение интервала времени между появлением выборок на
выходе. Аналоговое входное напряжение преобразуется в цифровые биты по
принципу повторного использования компонентов снова и снова, а не
посредством применения различных элементов, относящихся к различным
значениям, как это делается в многоразрядном преобразователе. Большая
тактовая частота, с которой осуществляются повторения, позволяет достичь
высокой точности, несмотря на разброс параметров компонентов.
Если бы мы посмотрели на сигнал, прошедший 1-разрядное преобразование, на
частоте, равной частоте взятия выборок при избыточной дискретизации, то
мы увидели бы повышенную концентрацию двоичных единиц, когда аналоговый
сигнал имеет большое значение, и повышенную концентрацию нулей, когда
величина напряжения на входе мала.
Аналого-цифровое преобразование 485
(с) Работа в режиме дельта-сигма. На рис. 14.28 схематически
представлен АЦП, действующий по принципу избыточной дискретизации в
режиме дельта-сигма. Дифференциальный усилитель на входе непрерывно
сравнивает аналоговый входной сигнал с напряжением на выходе внутреннего
1-разрядного ЦАП, который в типичном случае работает на частоте в 256 раз
большей, чем требуемая частота окончательных выборок на цифровом выходе.
Например при частоте окончательных выборок 44,1 кГц тактовая частота
внутренней избыточной дискретизации должна равняться 11,2896 МГц. Сигнал
с выхода дифференциального усилителя интегрируется и подается на
компаратор, а выходной сигнал компаратора стробируется с частотой
избыточной дискретизации. Если сигнал на выходе интегратора больше О В,
то на выходе компаратора идет поток двоичных единиц, а если оно меньше
О В, то результатом будет последовательность нулей. Компаратор, по
существу, является 1-разрядным АЦП, и он генерирует последовательность
единиц и нулей в соответствии с результатом интегрирования выходного
сигнала дифференциального усилителя.
У,еГ-
Рис. 14.28. Дельта-сигма АЦП с избыточной дискретизацией.
Петля обратной связи замыкается путем подачи стробированного сигнала с
выхода компаратора на вход 1-разрядного ЦАП.
Это приводит к тому, что на выходе дифференциального усилителя возникает
разность между мгновенным значением напряжения на аналоговом входе и
средним значением аналоговых выборок, непосредственно предшествовавших
данному моменту времени, и это объясняет наличие слова дельта (маленькая
разность) в названии. Другое название такого устройства - преобразователь
с уравновешиванием заряда, поскольку конечная цель заключается в том,
чтобы за счет петли "ЦАП - дифференциальный усилитель - компаратор"
