Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

и т.д. Примерами АЦП постоянного тока, разработанных в последнее время, могут служить AD7798/9 фирмы Analog Devices, LTC2480 и LTC2442 Linear Technology, и ADS1232 Texas Instruments. Наименьшим шумом (и соответственно наибольшей эффективной разрядностью кодирования ENOB) обладает ADS1232 (среднеквадратическое значение 17 нВ при частоте выборок 10 Гц и коэффициенте усиления встроенного усилителя КPGA = 128).

Сигма-дельта АЦП LTC2442 имеет максимальную частоту выборок 8 кГц. Этот прибор, имеющий ENOB = 24 бит при частоте выборок 31,25 Гц, оснащен двумя входными операционными усилителями (ОУ), которые позволяют подключать внешние цепи обратной связи, так что пользователь может установить необходимый ему коэффициент усиления с помощью резисторов. Для работы с биполярными сигналами ОУ могут питаться от дополнительных источников питания вплоть до ±15 В. Типичное значение нелинейности этого АЦП составляет 10–6.

Применительно к технике современного физического эксперимента такие АЦП находят применение в технологических трактах контроля и управления вспомогательными системами (контроль напряжений питания, обслуживаниетехнологическихсенсоров ит. д.).

АЦП среднего быстродействия

Эта категория АЦП предназначена для построения высокоточных низкоскоростных систем сбора данных, систем управления двигателями постоянного тока и т.д. На сегодняшний день на рынке эта группа представлена преимущественно сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения.

24-битный сигма-дельта ADS1258 Texas Instruments содержит встроенные источник опорного напряжения (ИОН), датчик температуры, монитор питания и входной аналоговый мультиплексор, конфигурируемый либо в 16 одиночных, либо в 8 дифференциальных каналов. Максимальная частота выборок при фиксированном входном канале 125 кГц.

Фирма Analog Devices предлагает три почти идентичных 24разрядных сигма-дельта АЦП AD7760, AD7762 и AD7763. Первые две модели оснащены 16-битным параллельным интерфейсом, последняя — последовательным. Передача данных при параллельном интерфейсе осуществляется за два такта. Эти модели имеют встро-

131

енный буферный дифференциальный усилитель, При внешней тактовой частоте 40 МГц обеспечивают при 256- и 32-кратном прореживании (частоты выборок соответственно 78 и 625 кГц) отношение сигнал/шум 112 и 107 дБ соответственно. Мощность, потребляемая этими АЦП, около 1 Вт.

АЦП поразрядного уравновешивания продолжают оставаться основным типом АЦП среднего быстродействия с разрешающей способностью 8 – 18 бит.

Фирма Analog Devices выпускает семейство AD7276, AD7277 и AD7278 соответственно 12-, 10- и 8-разрядных АЦП. Эти АЦП имеют частоту преобразования до 3 МГц при тактовой частоте 48 МГц.

Texas Instruments производит интересное семейство быстродействующих АЦП высокой разрядности. Один из представителей этого семейства ADS8413 – 16-разрядный АЦП последовательного приближения с последовательным LVDS-интерфейсом. Максимальная частота преобразований – 2 МГц, скорость передачи данных – 200 Мбод. Интегральная нелинейность – не более 0,003 %. Тактовый генератор и ИОН – внутренние. При преобразовании сигнала частотой 10 кГц суммарная величина шумов и искажений SINАD составляет минус 92 дБ, эффективная разрядность кодирования ENOB = 15 бит. Мощность потребления при этом составляет

0,29 Вт.

Таблица 2.5 Характеристики высокоточных АЦП фирмы Analog Devices

132

Близкими характеристиками обладает 18-разрядный AD7641 Analog Devices. Несмотря на то, что его дифференциальная нелинейность может достигать 2 МЗБ, производитель утверждает, что АЦП не имеет пропуска кодов. Прибор имеет параллельный и последовательный интерфейсы, причем программно могут быть установлены 18-, 16или 8-битные режимы передачи данных, сигнала частотой 10 кГц. AD7641 довольно экономичен, он потребляет менее 0,1 Вт. В настоящее время АЦП последовательного приближения по совокупности характеристик являются наиболее применяемыми во многих научно-технических областях. Ниже будут рассмотрены особенности применения БИС АЦП этого типа в экспериментальной технике.

Скоростные АЦП

АЦП этой категории применяются в приборах ультразвуковой диагностики, проводных и беспроводных системах коммуникаций, испытательном оборудовании систем связи, а также в недорогих цифровых осциллографах, Современные скоростные АЦП – это почти исключительно приборы конвейерной архитектуры с дифференциальным аналоговым входом, имеющие режим пониженного энергопотребления, Основные типы интерфейса – параллельные с КМОП- и ТТЛ-уровнями и последовательные низковольтные дифференциальные интерфейсы (LVDS).

Типичный 12-разрядный скоростной АЦП – AD9237. Он имеет 11 ступеней преобразования с коррекцией кодов, Максимальная производительность, в зависимости от версии, 20, 40 или 65 Мвыб./с, аналоговая полоса полной мощности – 400 МГц, что дает возможность за счет низкого апертурного джиттера преобразовывать периодические сигналы высоких частот, используя стробоскопический метод.

Конвейерная архитектура позволяет наращивать разрядность АЦП с минимальным усложнением схемы без снижения производительности. 14-разрядный МАX12557 имеет производительность 65 Мвыб./с. За счет низкого апертурного джиттера (среднеквадратическое значение – 0,5 пс) и высокого быстродействия УВХ он может в стробоскопическом режиме преобразовывать сигналы частотой до 750 МГц.

133

14-разрядные AD9246 и LTC2255 имеют еще большую производительность – 125 Мвыб./с, причем диапазон напряжения питания

AD2946 составляет 1,8/3,3 В.

16-разрядные LTC2208 (130 Мвыб./с) и МАX19586 (80 Мвыб./с)

обладают самыми высокими значениями отношения сигнал-шум (77,4 дБ и 77,6 дБ соответственно) при частоте входного сигнала 70 МГц. У LTC2208 к тому же рекордно низкий апертурный джиттер (0,07 пс СКЗ). Цифровые выходы данных параллельного интерфейса этого АЦП могут быть сконфигурированы для сопряжения с LVDSили с КМОП-приемниками.

Сверхскоростные АЦП

Области применения сверхскоростных АЦП — радиолокационные системы, цифровые осциллографы, широкополосные цифровые приемники, в том числе многоканальные приемники базовых станций сотовой телефонии.

Если еще недавно среди АЦП с производительностью более 200 Мвыб./с преобладали параллельные АЦП, то новейшие модели этого класса имеют также конвейерную архитектуру. Существенным отличием новых моделей сверхскоростных АЦП является параллельный LVDS-интерфейс. Один из таких АЦП – 12-разрядный сдвоенный МАX1219 – имеет максимальную производительность 210 Мвыб./с (минимальная – 40 Мвыб./с). Напряжение питания 1,8 В, потребляет мощность – 1,6 Вт. Лучшими характеристиками обладает 13-разрядный ADS5444 фирмы Texas Instruments – максимальная производительность 250 Мвыб./с, минимальная– 10 Мвыб./с.

Фирма National Semiconductor выпускает сдвоенный 8- разрядный АЦП ADC08D1500, способный производить 1,5 Гвыб./с. Многоступенчатый конвейер этого прибора создает задержку выходных данных относительно выборки входного сигнала на 13 тактов. АЦП питается от одного источника 1,9 В и потребляет 1,8 Вт. Каждый канал прибора имеет на выходе демультиплексор 1х2, облегчающий сопряжение с более медленными приемниками. Входной аналоговый мультиплексор наряду с поочередным тактированием каналов позволяет реализовать одноканальный режим производительностью 3 Гвыб./с. Дифференциальное входное сопротив-

134

ление АЦП 100 Ом согласуется с волновым сопротивлением витой пары.

10-разрядный AT84AS008 фирмы Atmel имеет максимальную производительность 2,2 Гвыб./с (минимальная 200 Мвыб./с). Прибор имеет выходной демультиплексор 1х2 или 1х4. Конвейерная задержка – 4 такта. Дифференциальное входное сопротивление также 100 Ом.

АЦП двух последних категорий могут быть использованы для создания дигитайзеров – устройств прямой оцифровки сигнала с детекторов. Это позволит реализовывать методы режекции наложений и анализа формы импульса, и создавать полностью цифровые спектрометры.

В табл. 2.6 и 2.7 приведены основные параметры скоростных АЦП Analog Devices и номенклатура сверхскоростных АЦП

National Semiconductors.

Taблица 2.6

Скоростные АЦП фирмы Analog Devices

135

Спектрометрические АЦП

Спектрометрические амплитудно-цифровые преобразователи (АЦП) обнаруживают появляющиеся на их входе импульсы и преобразуют амплитудное значение импульсов в цифровое значение.

По сравнению с аналого-цифровыми преобразователями общего назначения в состав АЦП дополнительно входят амплитудный дискриминатор, который обнаруживает импульсы и пиковый

136

детектор, запоминающий амплитуду импульсов для последующего аналого-цифрового преобразования. Спектрометрические АЦП (САЦП) отличаются от общетехнических аналого-цифровых преобразователей по применяемой терминологии и характеристикам. Разность двух соседних уровней квантования в аналого-цифровых преобразователях называют квантом или единицей младшего разряда. В спектрометрии утвердился термин "ширина канала". Важными являются такие характеристики АЦП как интегральная и дифференциальная нелинейности.

Интегральную нелинейность определяют как максимальное отклонение измерительной характеристики от аппроксимирующей прямой, проведенной таким образом, чтобы отклонения от нее в обе стороны были одинаковы и минимальны. Положение пика в спектре можно определить с точностью 0,1 канала, что соответствует интегральной нелинейности 0,002 %. Интегральная нелинейность качественных АЦП приближается к этой величине.

Измерение характеристик АЦП нормировано в ГОСТ 22252-82. Интегральную нелинейность АЦП измеряют с помощью генератора импульсов точной амплитуды с наложенным шумом. Изменяя амплитуду импульсов генератора, получают отсчеты положения пика генератора, по которым и судят о нелинейности. На рис. 2.14 приведен пример измерения интегральной нелинейности отечественного модуля АЦП-1.

Рис. 2.14. Интегральная нелинейность модуля АЦП-1

137

Под дифференциальной нелинейностью понимают неоднородность ширин каналов АЦП. При большой неоднородности ширин каналов в спектре могут образовываться ложные пики, а реально существующие пики малой амплитуды маскируются разбросом отсчетов. Определяют дифференциальную нелинейность как половину разности максимального и минимального отсчетов при измерении спектра генератора импульсов с равномерным распределением амплитуд. При этом подразумевается, что время измерения спектра достаточно велико, чтобы можно было пренебречь статистической погрешностью измерений. Происхождение термина "дифференциальная нелинейность" относится к тому времени, когда неоднородность ширин каналов определялась нелинейностью измерительной характеристики. При этом дифференциальная нелинейность была равна производной от интегральной нелинейности, взятой с обратным знаком. По мере уменьшения интегральной нелинейности преобладающим источником неоднородности стала цифровая часть АЦП, а дифференциальная нелинейность стала выглядеть как случайный разброс ширин каналов (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Дифференциальная нелинейность модуля АЦП-1

138

АЦП должен иметь малую дифференциальную нелинейность, т.е. высокую однородность ширин каналов. Аналого-цифровые преобразователи поразрядного взвешивания обычно имеют дифференциальную нелинейность, равную одной единице младшего разряда. САЦП имеет дифференциальную нелинейность 1 % от ширины канала, что в 100 раз лучше.

Для получения малой дифференциальной нелинейности в САЦП применяют амплитудно-временное преобразование, изобретенное Вилкинсоном еще в 1950 г. Сущность его заключается в преобразовании амплитуды импульса во временной интервал путем разряда емкости постоянным током с одновременным заполнением временного интервала импульсами тактового генератора. По числу заполняющих импульсов судят об амплитуде импульса.

Известные реализации модулей САЦП с преобразованием Вилкинсона, такие как 8701 фирмы CANBERRA, 800 фирмы ORTEC, и другие, имеют примерно одинаковые характеристики: число уровней квантования до 8195, интегральная нелинейность 0,02 – 0,05 %, дифференциальная нелинейность 0,7 – 1 %, частота генератора тактовых импульсов 100 – 150 МГц. Кроме того, для зарубежных АЦП указывают нестабильность, которая составляет 0,01 % на градус и 0,01 % за 24 часа и плоскую часть профиля канала, которая составляет от 75 до 90 % от ширины канала. В 1963 г. Коттини и Гатти предложили использовать для уменьшения дифференциальной нелинейности преобразователей поразрядного взвешивания скользящую шкалу. Идея заключается в том, чтобы амплитуду каждого импульса увеличивать на разную, но хорошо известную величину, а затем в цифровом виде эту добавку вычитать. В результате цифра, соответствующая амплитуде, не меняется, но преобразование всякий раз происходит на другом участке шкалы, поэтому неоднородность ширин каналов усредняется. Следует отметить, что до последнего времени не удалось структуру САЦП Вилкинсона реализовать в интегральном исполнении с достаточно хорошими характеристиками. Поэтому до

139

сих пор ее приходится воспроизводить на дискретной элементной базе и стандартных ИС ОУ, компараторов и логики.

В последнее время в основном выпускают АЦП со скользящей шкалой. Это АЦП 8713 фирмы CANBERRA в стандарте NIM, 917 – 920 фирмы ORTEC в стандарте NIM и 114 и 413 в стандарте КАМАК. Время преобразования у них составляет от 5 до 15 мкс при дифференциальной нелинейности лучше 1 %. АЦП CANBERRA 8715 и ORTEC 921 имеют время преобразования около 1 мкс. Фирма CAEN выпускает ряд модулей САЦП в стандарте VME. Приведем основные характеристики модуля

В785N:

разрешение – 12 бит; время преобразования 2,8 мкс/16 каналов; дифференциальная нелинейность ± 1,5 %; интегральная нелинейность ± 0,1 %; буферная память на 32 события.

Внешний вид модуля показан на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Внешний вид модуля В785N

140