Pipeline(Конвейерные) АЦП
Конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала позволяет найти оптимальный компромисс между разрядностью, быстродействием и сложностью топологии АЦП. Прежде чем перейти к конвейерному принципу работы АЦП, рассмотрим принцип действия обычного многоступенчатого АЦП.
В многоступенчатом АЦП процесс преобразования вход-
ного сигнала разделен в пространстве. В качестве примера на рис. 6 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного
АЦП.
Верхний по схеме АЦП на рис. 6 осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму, представляет собой четыре
младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же, как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.
Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению ЦГвхШ. Однако из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.
Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП (рис. 6) вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя эле-
менты задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП, схема 8-разрядного варианта которого приведена на рис. 7.
Роль аналогового элемента задержки выполняет устройство выборки-хранения УВХ2, а цифрового — четыре D-триг-гера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один период тактовой частоты.
Сигналы выборки, формируемые из тактового сигнала, поступают на УВХ1 и УВХ2 в разные моменты времени (рис. 8). УВХ2 переводится в режим хранения позже, чем УВХ1 на время, равное суммарной задержке распространения сигнала по АЦП1 и ЦАП. Задний фронт тактового сигнала управляет записью кодов в D-триггеры и выходной регистр. Полная обработка входного сигнала занимает около двух периодов тактирующих импульсов, но частота появления новых значений выходного кода равна частоте тактового сигнала.
Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохожде-
ния сигнала, соответствующая обычному многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, не имеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП. Действительно, например, для построения 12-разрядного АЦП из четырех 3-разрядных необходимо 28 компараторов, тогда как его реализация из двух 6-разрядных потребует 126 компараторов.
При выборе конвейерного АЦП следует иметь в виду, что многие из них не допускают работу с низкой частотой выборок. Это вызвано тем, что внутренние схемы УВХ имеют довольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования. Основная проблема преобразователей с переключением сигналов во времени состоит в необходимости высокой согласованности каналов.
Конвейерные АЦП компании MAXIM имеют разрядность от 12 до 16 при частоте выборок 1. 80 Msps. Потребляемая мощность этого типа АЦП ниже, чем у параллельных. Конвейерные АЦП имеют линейную зависимость размера кристалла при изменении разрядности преобразователя. Для сравнения, у параллельных АЦП размер кристалла растет экспоненциально при увеличении разрядности (см. таблицу 1).
На рисунке 9 наглядно показаны качественные зависимости времени преобразования, количества требуемых компонентов и каскадов, размеров кристалла в зависимости от разрядности разных типов АЦП.
В таблице 2 представлены основные параметры скоростных
АЦП компании MAXIM.
На рис. 10 представлены скоростные АЦП и ЦАП фирмы MAXIM в координатах разрядность/быстродействие.
|
