ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАННЫХ

Преобразователи данных используются в системах цифровой обработки сигналов для их связи с «реальным миром». Поэтому от правильного выбора преобразователя во многом зависит качество обработки информации о состоянии объекта. Известно, что АЦП находят широкое применение в медицинском и научном приборостроении, системах визуализации данных, аудиосистемах и системах передачи данных, причем архитектура таких систем зависит от параметров, используемых в них преобразователей. Особенно это относится к быстродействующим АЦП с полосой пропускания до 1 ГГц. Преобразователи для такого широкого частотного диапазона строятся на основе разных структурных решений, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Рис. 1. Типовые измерительные каналы с СВЧ-сигналами на входе

Типовые структуры измерительных каналов, в которых используются быстродействующих АЦП, приведены на рис. 1. Отметим, что при увеличении вычислительной мощности процессора можно использовать АЦП более высокой производительности. Например, если канал ЧМ-радио имеет полосу пропускания 200 кГц в полосе от 88 до 108 МГц, то промежуточная частота, на которой работает приемник, составляет 10.7 МГц.
Исходя из этого, ширина полосы пропускания канала, включающего АЦП, должна составлять не менее 20 МГц в ЧМ-диапазоне. Спектральные диаграммы сигналов ЧМ-радио приведена на рис. 2.

Рис. 2. Спектральные диаграммы сигналов ЧМ-радио

Частота выборки АЦП согласно теореме Найквиста должна быть в два раза больше максимальной частоты входного сигнала, причем на практике это отношение, как правило, может составлять 3 и более. Для согласования динамического диапазона АЦП с выходным диапазоном источника сигнала на его входе может быть включен PGA-усилитель (с программируемым коэффициентом усиления).
Динамический диапазон быстродействующего АЦП характеризуется следующими параметрами: отношением сигнал/шум, нелинейными искажениями и динамическим диапазоном неискаженного сигнала.
Существуют и другие параметры, характеризующие работу быстродействующих АЦП в широком частотном диапазоне, однако основными являются частотный и динамический диапазоны преобразователя. Исходя из этих параметров, на рис.3 приведена классификация различных типов устройств и систем, в которых используются АЦП высокого быстродействия.
Существует несколько архитектурных решений для построения быстродействующих АЦП: это флэш- или параллельные АЦП, pipeline или конвейерные АЦП, folding-АЦП или АЦП с амплитудной сверткой, interleaved АЦП или АЦП с перемежающейся выборкой.
АЦП поразрядного уравновешивания, и сигма-дельта АЦП в СВЧ-диапазоне не используются.
Отдельно следует остановиться на структурах ЦАП высокого быстродействия. Такие ЦАП, как правило, строятся на основе коммутации токов в матрицах резисторов или на основе коммутируемых конденсаторов.

Отметим, что при обработке сигналов в полосе до 100 МГц и выше большое значение имеет качество синхросигналов. Дрожание фронтов (clock jitter) этих сигналов должно быть сведено к минимуму. На рис. 4 показано, как погрешность, вызванная дрожанием фронта синхросигнала, влияет на точность преобразования входного аналогового напряжения.

Рис. 3. Классификация устройств и систем, исходя из требований к разрешению преобразователей данных

Рис. 4. Зависимость погрешности преобразования от величины дрожания фронта синхросигнала

ВЫВОДЫ:
1. Критическим звеном широкополосных измерительных каналов являются преобразователи данных. От их правильного выбора зависит качество цифровой обработки сигналов проектируемой системы или устройства.
2. Типы проектируемых устройств и систем, в которых применяется цифровая обработка аналоговых сигналов, напрямую связана с частотой и разрешением используемых в этих системах АЦП.