Н. Н. Хрисанов
Самарский государственный технический университет
Рассматривается метод повышения быстродействия аналого-цифровых преобразователей последовательного приближения за счет применения оптимальных стратегий поиска.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) последовательного приближения характеризуются следующими особенностями:
1. При подборе цифрового кода используется алгоритм половинного деления. Однако, как известно, метод половинного деления обеспечивает наибольшее быстродействие лишь в том случае, когда вероятности всех возможных кодов на выходе равны между собой, т. е. измеряемая величина подчиняется равномерному закону распределения вероятностей во всем диапазоне своего изменения. Однако во многих случаях закон распределения входного сигнала отличается от равномерного. При этом, если закон распределения входной преобразуемой величины известен, можно определить вероятности для всех комбинаций выходного кода и использовать эту информацию в процессе подбора кода.
2. Длительность одного такта преобразования, как правило, остается постоянной в течение всего времени преобразования. Она складывается из времени установления напряжения на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) - /ЦАП и времени срабатывания логики /лог. Время ^лог является постоянной величиной, время 1ЦАП уменьшается с уменьшением веса разряда, и, следовательно, для определения младших разрядов длительность такта преобразования может быть уменьшена. Известны АЦП, в которых используются две частоты: одна для преобразования старших разрядов, а другая, более высокая, для преобразования младших разрядов [1], что позволяет повысить быстродействие на 30 %.
3. Для формирования напряжения компенсации используется один ЦАП. В то же время использование нескольких ЦАП, очевидно, позволяет значительно сузить область поиска и, следовательно, повысить быстродействие.
В [2-5] предложены АЦП последовательного приближения, свободные от перечисленных выше недостатков. Особенностью их является то, что процедура подбора кода строится в соответствии с оптимальной стратегией поиска, учитывающей как динамические параметры ЦАП, так и вероятностные характеристики преобразуемого сигнала. Кроме того, возможно применение произвольного числа ЦАП.
Структура АЦП.
Возможная структура АЦП последовательного приближения, обладающего вышеперечисленными свойствами, приведена на рис. 1. АЦП содержит К цифро-аналоговых преобразователей и такое же число схем сравнения. Алгоритм подбора определяется содержимым постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), на старшие адресные входы которого подается результат сравнения преобразуемого напряжения с напряжениями, формируемыми с помощью цифро-аналоговых преобразователей, а на младшие адресные входы - код с первых выходов регистра (который подается на вход первого ЦАП). Вместо ПЗУ возможно использование разделяемого оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), если АЦП используется в составе периферии персонального компьютера, что позволяет оперативно менять алгоритм аналого-цифрового преобразования.
рис. 1 - структура АЦП
Таким образом, код на выходе ПЗУ определяется результатом сравнения напряжений на выходах ЦАП с входным преобразуемым сигналом, а также значением кода, поступающего на первый ЦАП с выхода регистра. АЦП также содержит генератор тактовых импульсов, счетчик для формирования заданных интервалов времени, регистр для хранения промежуточных значений выходного кода, триггер. Возможный алгоритм подбора кода для АЦП с двумя ЦАП приведен на рис. 2 в виде графа.
рис.2 - алгоритм подбора кода для АСп с 2-мя ЦАП
Длительность одного такта преобразования определяется содержимым счетчика, которое обновляется в начале каждого такта. Новое значение записывается с выходов S ПЗУ. Счетчик работает в режиме вычитания, и очередной такт заканчивается, когда его содержимое станет равным нулю. При этом на выходе счетчика формируется сигнал, по которому в регистр записываются очередные значения кодов, и этот же сигнал переводит сам счетчик в режим записи, что позволяет записать в счетчик значение задержки для следующего такта преобразования.
Рассмотрим работу устройства. Пусть на вход АЦП подано напряжение, соответствующее коду 6. Процесс преобразования для 4-х разрядного АЦП в соответствии с графом, приведенным на рис. 2, осуществляется следующим образом.
В начале триггер устанавливается в единичное состояние внешним сигналом «Пуск», в счетчик записывается единица, а регистр обнуляется, и независимо от уровня сигналов на выходе схем сравнения на первых и вторых выходах ПЗУ устанавливаются соответственно двоичные коды чисел 9 и 6. С генератора начинают поступать импульсы на счетчик, и после первого импульса содержимое счетчика становится равным нулю, на его выходе формируется импульс, по переднему фронту которого коды с выхода ПЗУ (в данном случае 6 и 9) записываются в регистр. В счетчик из ПЗУ записывается число, пропорциональное времени установления напряжения на выходе верхнего ЦАП, поскольку на него подается больший код 9. Счетчик переходит в режим вычитания.
По мере поступления импульсов на его вход с выхода генератора импульсов содержимое счетчика уменьшается. Когда оно станет равным нулю (к этому моменту времени переходные процессы в ЦАП закончатся), на выходе счетчика сформируется импульс, который зафиксирует код на выходе схем сравнения. Исходя из принятого предположения (входное напряжение соответствует коду 6, а это означает, что на выходе схем сравнения установится комбинация «01», которая поступит на старшие адресные входы ПЗУ. В результате на выходе ПЗУ появятся коды 7 и 8, которые будут записаны в регистр и далее поданы соответственно на нижний и верхний ЦАПы. В счетчик из ПЗУ будет записано число, пропорциональное времени установления напряжения на выходе ЦАП, при подаче на его вход кода 8 при условии, что ранее на его входе был код 9. Счетчик переходит в режим вычитания. Когда содержимое его станет равным нулю, на выходе схем сравнения установится комбинация «00», поскольку в данном случае £/UAm ^ ^ЦАШ - ^вх • По импульсу, формируемому счетчиком при его обнулении, в ту часть регистра, которая подключена к выходной шине АЦП, будет записан код 6. На последнем выходе ПЗУ установится сигнал логической единицы, который вернет триггер в исходное состояние. Процесс преобразования на этом заканчивается. Заметим, что преобразование закончилось через два такта работы устройства. Для обычного четырехразрядного АЦП последовательного приближения время преобразования всегда равно четырем тактам.
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Продолжение следует.