Введение в АЦП

АЦП - аналого-цифровой преобразователь(Analog to Digital, ADC),устройство, которое преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой сигнал представленный,преимущественно, в двоичном коде. Входным сигналом может быть практически любая физическая величина, но для определённости условимся, что входным сигналом является напряжение.Основными параметрами АЦП является разрядность выходного сигнала и скорость преобразования.

В данной статье будут кратко рассмотрены основные виды АЦП, представляющие информацию в двоичном коде.И более подробно АЦП, которые представляют информацию в системе остаточных классов.

Параллельный АЦП(Flash or parallel ADC)

Параллельные АЦП имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS(giga samples per seconds).Архитектура данного вида АЦП представленная на рисунке.

Принципе работы относительно прост. На каждый компаратор подаётся входной аналоговый сигнал и доля опорного напряжения. Сравнивая их друг с другом каждый отдельно взятый компаратор вырабатывает логическую 1 или 0 на своём выходе, которые поступают в приоритетный шифратор(priority encoder).

• Достоинства:
  • Простая архитектура и принцип работы.
  • Высокая скорость работы.
• Недостатки:
  • Маленькая разрядность.При повышении разрядности потребляемая мощность и площадь на кристалле растут слишком быстро.

Интерполяционный АЦП(Interpolating Flash ADC)

Является логическим развитием параллельного АЦП и призван упростить аппаратное усложнение при повышении разрядности,а значит повысить общую эффективность преобразования. Основная идея состоит в использовании предусилителей в качестве линейных усилителей. На рисунке представлен 3-битный интерполяционный АЦП.

Двухступенчатый АЦП

Ещё одно развитие параллельного АЦП.Наиболее популярная архитектура, обеспечивающая высокую скорость преобразования и среднее разрешение. На первом шаге аналоговый сигнал подаётся на n-разрядный АЦП,который делает грубое преобразование и вырабатывает n старших битов кода(MSB - Most Significant Bit). Эта же информация попадает в ЦАП и преобразуется обратно в аналоговый вид, который затем вычитается из первоначального сигнала. Остаток преобразуется АЦП разрядности m и вырабатывается m младших битов(LSB, Lowest Significant Bit).В итоге получается цифровой сигнал разрядности P=n+m.

• Достоинства:
  • Уменьшение аппаратных затрат(30 компараторов в двухступенчатом АЦП против 255 в обычном для получения 8-разрядных чисел).
  • Уменьшение потребления и входной ёмкости.
• Недостатки:
  • Более высокая задержка в сравнении с обычным параллельным АЦП.
  • Необходимость применения ЦАП большей разрядности чем P.