3.4.5. Преобразователи напряжение частота. Сигма-дельта преобразователи
Схема такого преобразователя аналогична схеме АЦП с промежуточным преобразованием напряжения в частоту, при этом на выход непосредственно (минуя счетчик) поступают импульсы с частотой пропорциональной входному напряжению (см. рис. 3.12, а). При этом токи I1=Uвх/R1 и I2=UG/R2 должны иметь различные знаки для обеспечения циклического заряда – разряда конденсатора интегратора C. По такой структурной схеме строится серийно выпускаемая ИМС ПНЧ–ПЧН К1108ПП1. Выходные импульсы данной ИМС имеют прямоугольную форму с калиброванной длительностью частотой до 500 кГц. АЦП такого типа удобен и недорог, особенно в тех случаях, когда приходится передавать сигнал по кабелю, что требует частотный, а не кодовый выход.
Еще одна разновидность схемы ПНЧ – «дельта-сигма» преобразователя представлена на рис. 3.12, б. Она применяется в тех случаях, когда выходные импульсы должны быть синхронизированы с тактовыми. В схеме импульсы тока фиксированной длительности (равной периоду тактового генератора TG) генерируются D-триггером Т в те моменты, когда выход компаратора К имеет высокий уровень (в результате нарастания uинт до нуля) и на синхровход триггера приходит фронт тактового импульса. Выходные импульсы такого ПНЧ образуются в результате логической операции «И» над выходным сигналом триггера и тактовыми импульсами. В результате частота выходных импульсов пропорциональна входному напряжению Uвх. При этом выходные импульсы синхронизированы с тактовыми и имеют фиксированную длительность, равную длительности тактового импульса.
О
становимся
более подробно на последнем типе
преобразователей, учитывая их широкое
распространения в серийных микросхемах
АЦП.
В последние годы сигма-дельта архитектура стала очень популярна для реализации АЦП и ЦАП высокого разрешения в виде СБИС. Сейчас технология производственного процесса позволяет сделать эти ранее недоступные приборы коммерчески жизнеспособными. Благодаря освоению одномикронной КМОП геометрии, сигма-дельта преобразователи, которые сочетают на одном кристалле ИС функции АЦП, ЦАП и ЦОС, стали очень популярны.
В сигма-дельта АЦП аналоговый сигнал квантуется с очень низким разрешением (как правило, 1 бит) на частоте, во много раз превышающей максимальную частоту спектра сигнала. Используя такую методику передискретизации в сочетании с цифровой фильтрацией, можно получить эффективное увеличение разрядности. Для снижения эффективной скорости поступления отсчетов на выходе АЦП применяется децимация. Однобитовые сигма-дельта АЦП и ЦАП обладают превосходной дифференциальной и интегральной линейностью благодаря отсутствию нелинейности 1-битового квантователя. Здесь не нужна высокоточная лазерная подгонка, как в других архитектурах АЦП.
Структура сигма-дельта ЦАП принципиально не отличается от АЦП, за исключением порядка следования процессов.
3.4.5.1. Концепция сигма-дельта преобразователей
Идеальная топология для больших интегральных схем
Передискретизация
Сигма-дельта модулятор формирует шумоподобный спектр
Цифровая фильтрация
Децимация
Возможно разрешение 16 бит и более
Ключевыми моментами для понимания действия сигма-дельта преобразователей являются: передискретизация, процесс шумообразования в сигма-дельта модуляторе, цифровая фильтрация и децимация.