Время установки ЦАП важно в таких приложениях, как блок развертки RGB-сигнала в мониторах, а характеристики в частотной области типа SFDR в общем случае более важны в телекоммуникациях.
Если мы рассмотрим спектр сигнала, преобразованного в ЦАП из цифровой формы, то обнаружим, что, в дополнение к ожидаемому спектру (который будет содержать одну или больше частот, в зависимости от природы восстановленного сигнала), в нем также будет присутствовать шум и составляющие искажений. Искажения могут быть определены в терминах нелинейных искажений, динамического диапазона, свободного от помех (SFDR), интермодуляционных искажений или всех вышеперечисленных вместе. Под нелинейными искажениями понимается отношение высших гармоник к гармонике основной частоты, на которой восстановлен чистый (теоретически) синусоидальный сигнал. Эти искажения являются наиболее общей характеристикой искажений. Динамический диапазон, свободный от помех (SFDR) — это отношение энергии наибольшей из гармоник (обычно — это гармоника основной частоты, но не обязательно) к энергии основной частоты.
При восстановлении с помощью ЦАП синусоидального сигнала, сгенерированного в системе прямого цифрового синтеза (DDS), зависимые от кода ложные сигналы формируют гармоники как внутри полосы, так и за ее пределами. Сигнал проходит через уровень, соответствующий середине шкалы, дважды за один цикл. Поэтому ложный сигнал имеет вторую синусоидальную гармонику, как показано на рис. 2.41. Обратите внимание, что гармоники более высокого порядка, составляющие которых попадают в основную полосу Найквиста (от 0 до fs/2), не фильтруются.
Руководствуясь одной лишь характеристикой площади под кривой ложного сигнала, трудно предсказать нелинейное искажение или SFDR. Другие факторы, такие как полная линейность ЦАП, также способствуют возникновению искажений. Поэтому, общепринята проверка восстановительной способности ЦАП в частотной области (с использованием анализатора спектра) на различных тактовых и сигнальных частотах, как показано на рис. 2.43. Типичное значение SFDR для 14-разрядного ЦАП AD9772 представлено на рис. 2.44. Тактовая частота равна 65 MSPS и сигнальная частота анализируется до 25 МГц. Как и в случае с АЦП, шум квантования будет проявляться в виде увеличенного нелинейного искажения, если отношение между частотой синхронизации и выходной частотой ЦАП представляется целым числом. Таких отношений нужно избегать при измерении SFDR.
ИСТОЧНИКИ ИСКАЖЕНИЙ В ЦАП СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТЫ (DDS)
• Разрешающая способность ЦАП
• Общая нелинейность
• Дифференциальная нелинейность
• Код-зависимые выбросы
• Отношение тактовой частоты к выходной (даже для идеального ЦАП)
• Аналитический подход затруднен!
Рис. 2.42
Спад частотной характеристики (Rolloff) ЦАП sin (х)/х
Выходной сигнал ЦАП может быть представлен в виде ряда прямоугольных импульсов шириной, равной обратной величине тактовой частоты, как показано на рис. 2.45. Обратите внимание, что восстановленная амплитуда сигнала составляет -3,92 дБ на частоте Найквиста fc/2. Для компенсации этого эффекта в большинстве случаев достаточно использовать инверсный фильтр sin(x)/x. Значения составляющих основной частоты также ослабляются функцией sin(x)/x.
Глава 3
Аналого-цифровые преобразователи для задач цифровой обработки сигналов
Уолт Кестер, Джеймс Брайэнт
Современная тенденция развития АЦП и ЦАП состоит в увеличении скоростей и разрешающих способностей обработки сигналов при уменьшении уровня потребляемой мощности и напряжения питания. Современные преобразователи данных в основном работают на напряжениях питания ±5V (двуполярный источник питания), +5V или +3V (однополярный источник питания). В действительности, число устройств с напряжением питания +3V быстро увеличивается вследствие появления для них большого числа новых рынков сбыта, таких как цифровые камеры, видеокамеры и телефоны сотовой связи. Эта тенденция создала множество проектных и конструкторских проблем, которым не придавалось значения в разработках более ранних преобразователей, использовавших стандартное напряжение питания ±15V и диапазон изменения входных сигналов ±10V.
Более низкие напряжения питания подразумевают меньшие диапазоны входных напряжений и, следовательно, большую чувствительность к разного вида помехам: шумам от источников питания, некачественным опорным и цифровым сигналам, электромагнитным воздействиям и радиопомехам (EMI/RFI) и, возможно наиболее важный момент — к некачественным методам развязки, заземления и размещения компонентов на печатной плате. В АЦП с однополярным источником питания диапазон изменения входных сигналов обычно отсчитывается вне связи с «землей». При этом проблема заключается в поиске совместимых усилителей с однополярным питанием для нормализации сигнала на входе АЦП и в осуществлении необходимого сдвига входного сигнала относительно «земли» в приложениях с непосредственной связью.
Несмотря на эти проблемы, в настоящее время доступны компоненты, которые обладают чрезвычайно высокими разрешающими способностями при низких напряжениях питания и малой потребляемой мощности. Этот раздел посвящен обсуждению проблемы создания приложений на базе таких компонентов и описанию методов успешного проектирования таких систем.
Наиболее популярные АЦП для приложений цифровой обработки сигналов (ЦОС) базируются на пяти основных архитектурах: АЦП последовательного приближения, сигма-дельта АЦП, АЦП параллельной обработки (flash), АЦП конвейерной обработки (pipelined) и АЦП последовательного счета (Bit-Per-Stage).
ОСОБЕННОСТИ АЦП С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ И МАЛЫМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ
• Типичные напряжения питания: ±5 В, +5 В, +5/+3 В, +3 В
• Из-за малой амплитуды сигнала устройство чувствительно ко всем типам шумов (собственные шумы устройства, источника питания, логики и т. п.)
• Шумы устройства увеличиваются вследствие малых токов
• Ограничения по величине синфазного входного напряжения
• Критичен выбор входного буферного усилителя
• При высокой разрешающей способности желателен режим автокалибровки
Рис. 3.1
АЦП ДЛЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ
• Последовательного приближения:
♦ Разрешение до 16 бит
♦ Минимальное время задержки, может работать в режиме однократного преобразования
♦ Используются в мультиплексированных системах сбора данных
• Сигма-Дельта (IA):
♦ Разрешение до 24 бит
♦ Превосходная дифференциальная линейность
♦ Встроенный цифровой фильтр (возможно с линейной фазой)
♦ Большое время задержки (время ожидания выходного сигнала)
♦ Трудно мультиплексировать входы из-за временных затрат на установку цифрового фильтра
• Высокоскоростные архитектуры:
♦ Параллельный АЦП (Flash)
♦ Субинтервальный (subranging) или конвейерный (pipelined)
♦ Последовательного счета (Bit-Per-Stage)
Рис. 3.2
АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ
