В РАДИОПРИЕМНЫХ И РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ. Основной сферой применения аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) является радиоприемная техника

(не закончено)

 

 

Основной сферой применения аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) является радиоприемная техника, где они используются для преобразования в цифровую форму низкочастотных демодулированных сигналов, либо сигналов высокой и промежуточной частоты до их демодуляции.

Аналого-цифровые преобразователи также применяются в цифровых радиопередатчиках для решения следующих основных задач:

· преобразование входных аналоговых сигналов в цифровую форму для последующей цифровой модуляции ВЧ колебаний;

· сбор данных с датчиков систем диагностики, контроля и регулирования параметров каскадов передатчика (например, датчиков падающей и отраженной волны, выходной мощности, питающих напряжений, токов и температурного режима транзисторов выходных каскадов для их защиты и т.п.);

· оцифровывание сигнала обратной связи систем авторегулирования, работающих по выходному сигналу (для обеспечения линейности управления амплитудой выходного сигнала передатчика).

С частью из названных выше задач призваны справляться низкочастотные АЦП общего применения, другая часть задач - для специальных ВЧ АЦП, разработанных для работы на радиочастотах. Рассмотрим подробнее эти два класса АЦП, их характеристики и параметры.

Характеристики АЦП (а также цифро-аналоговых преобразователей – ЦАП) можно разделить на следующие основные группы:

1. Разрешение (количество разрядов, единица измерения - бит).

2. Частота преобразования (количество выборок в секунду, единица измерения – kSPS, т.е. тысяч выборок в секунду или MSPS – миллионов выборок в секунду).

3. Статические характеристики (относятся к передаточной функции по постоянному току):

4. Динамические характеристики………………

 

 

Низкочастотные АЦП (с частотой 10...1000000 выборок в секунду) строятся с использованием архитектуры последовательного приближения либо с использованием сигма-дельта архитектуры. Для таких АЦП характерны большое число разрядов (10...24), высокая точность преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейность - доли единиц младшего разряда шкалы), малая потребляемая мощность (единицы мВт).

 

Рис.7.1.1.

 

Структура АЦП последовательного приближения показана на рис.7.1.1. По команде начала преобразования устройство выборки и хранения (УВХ) берет отсчет входного сигнала, а в регистр последовательного приближения записывается число1000...000, которое подается на вход ЦАП. Компаратор сравнивает напряжение на выходе ЦАП и входное напряжение, и если входное напряжение больше напряжения ЦАП, единица в старшем разряде остается, а в противном случае сбрасывается. После этого устанавливается в 1 следующий разряд (на входе ЦАП 0100...000 или 1100...000) и выходное напряжение ЦАП опять сравнивается со входным напряжением, после чего значение второго слева разряда сохраняется равным 1 или сбрасывается. Такой цикл повторяется для всех разрядов регистра, и когда все они примут определенное значение, АЦП подает сигнал готовности результата преобразования.

АЦП последовательного приближения имеют разрешение до 16 бит, а их скорость может достигать 0.1...1.5 MSPS (миллионов выборок в секунду). Такие АЦП используют в мультиплексированных системах сбора данных, так как часто их выполняют с мультиплексором на входе, имеющим от 2 до 8 каналов входных аналоговых сигналов.

Сигма-дельта АЦП построен с использованием принципов избыточной дискретизации с последующей цифровой фильтрацией и децимацией (уменьшением количества выборок). Алгоритм обработки сигнала в сигма-дельта АЦП выбран так, что значительная часть шумов квантования остается за пределами полосы пропускания цифрового фильтра АЦП, благодаря чему достигается возможность повышения разрядности преобразования. Сложная математическая обработка сигнала в таком АЦП приводит к снижению его скорости до 10...50000 выборок в секунду, но преимуществами сигма-дельта АЦП при этом являются очень высокая разрешающая способность (16-24 разряда), чрезвычайно малая дифференциальная нелинейность, малая потребляемая мощность (милливатты). Такие АЦП применяют для обработки сигналов датчиков и аналоговых НЧ сигналов (голосовых частот). Их также делают многоканальными (2-8 каналов) для обработки нескольких аналоговых сигналов, но при этом используется свой АЦП на каждый канал.

Сигма-дельта АЦП обладают дополнительными возможностями: не требуют УВХ, имеют встроенные усилители с программируемым коэффициентом усиления, программируемые цифровые фильтры.

Высокочастотные АЦП выполняют с параллельной (Flash ADC) или последовательно-параллельной архитектурой, называемой иначе конвейерной структурой. Наиболее быстродействующей является параллельная архитектура АЦП, показанная на рис.2.1.3. Она состоит из линейки компараторов, у каждого из которых опорное напряжение ниже, чем у предыдущего. Входной сигнал подается на все компараторы сразу, а затем просто преобразовывается в двоичный код дешифратором, благодаря чему преобразование занимает очень небольшое время - десятки наносекунд, так что такой АЦП способен работать на скоростях выше 50 MSPS. К недостаткам параллельных АЦП надо отнести небольшую разрядность (6...8 разрядов), так как увеличение числа разрядов на 1 требует удвоения числа компараторов, и большую потребляемую мощность, определяемую быстродействием логических элементов АЦП (сотни мВт). Примером параллельного АЦП может послужить AD9066 - сдвоенный согласованный АЦП, имеющий скорость 60 MSPS, 6 разрядов и 400 мВт потребляемой мощности.

 

Рис.2.1.3.

 

Необходимо отметить, что существует архитектура интерполирующих параллельных АЦП, позволяющая повысить разрядность до 10 при сохранении всех преимуществ параллельных АЦП.

Последовательно-параллельные (конвейерные) АЦП позволяют работать на высоких частотах (20...60 MSPS) при меньших мощностях потребления (десятки мВт) и более высокой разрядности (10...16 разрядов), чем параллельные АЦП. Параллельные АЦП могут использоваться как части конвейерной архитектуры.

 

Рис.2.1.4.

 

Представленная на рис.2.1.4. конвейерная структура работает следующим образом. УВХ-1 фиксирует входной сигнал, после чего первый 6-разрядный АЦП оцифровывает его и подает результат своей работы на ЦАП, на выходе которого образуется 6-разрядное приближение аналогового сигнала. На выходе УВХ-2 хранится копия исходного отсчета аналогового сигнала, и из нее вычитается полученное в первом каскаде структуры 6-разрядное приближение; полученная разница усиливается, а затем оцифровывается 7-разрядным АЦП (лишний разряд здесь нужен для коррекции ошибки). Полученные с выхода первого и второго АЦП разряды объединяются и отправляются в выходной регистр. Таким образом, применение двух АЦП на 6+7 разрядов существенно экономит число компараторов по сравнению с 12-разрядным параллельным АЦП, что позволяет выиграть в потребляемой мощности при прочих равных параметрах.

Отметим, что существуют не только двухкаскадные, но и 3-каскадные, и 4-каскадные конвейерные АЦП, имеющие в составе 3-разрядные параллельные АЦП, чем достигается еще большая экономия потребляемой мощности за счет некоторого снижения быстродействия (до 3...20 MSPS). Выпускаются также сдвоенные согласованные конвейерные АЦП, имеющие внутреннее мультиплексирование с выходом на одну общую шину данных (AD9201, рис.2.1.5).

 

Рис.2.1.5.

 

Необходимо указать на одну особенность современных быстродействующих АЦП: полоса пропускания по входному сигналу за счет УВХ у них может значительно превышать половину максимальной частоты дискретизации (F_s /2), благодаря чему такие АЦП могут оцифровывать узкополосные ВЧ сигналы, лежащие выше этой частоты. Известно, что спектр выходного сигнала АЦП состоит из копий спектра входного сигнала, сдвинутых на частоты, кратные частоте дискретизации F_s:

 

.

 

Рассмотрим пример такой обработки ВЧ сигнала, при которой мы сможем обработать с помощью АЦП сигнал, частота которого выше частоты выборок F_s = 90 МГц. В классическом в смысле теоремы Котельникова случае частота сигнала F_A не должна превышать 45 МГц. Пусть это будет F_A = 20 МГц. По рис.2.1.6.а видно, что в этом случае выходной сигнал АЦП содержит сигнал со средней частотой 20 МГц, которая может быть обработана последующим сигнальным процессором. Теперь пусть частота входного сигнала F_A = 160 МГц. Казалось бы, наш АЦП с F_s = 90 МГц не сможет обработать столь высокочастотный сигнал, ведь по теореме Котельникова неизбежны искажения в выходном сигнале за счет наложения спектров. Однако, такого не происходит благодаря узкополосности сигнала, и на выходе АЦП мы вновь видим сигнал (точнее, «образ» сигнала) со средней частотой 20 МГц. Правда, спектр этого сигнала инвертирован, но это можно учесть при обработке в сигнальном процессоре.

 

Рис.2.1.6.

 

Таким образом, ВЧ АЦП с быстродействующими УВХ на входе могут быть использованы для квантования узкополосных сигналов, частоты которых превышают частоты дискретизации АЦП, что может найти применение в радиопередатчиках для оцифровывания непосредственно их выходных колебаний с целью создания обратной связи.