ЖУРНАЛ СТА 3/2014

носительно низких частотах (издержки интегрирования) и не могут быть ис- пользованы в приложениях, где требу- ется широкий частотный диапазон. Ре- шение проблемы частотных ограниче- ний одноразрядного дельта-сигма АЦП можно найти в области расширения той же концепции при конструировании мультибитовых дельта-сигма АЦП. В теории мультибитовый дельта-сигма АЦП может достичь того же уровня ди- намического диапазона, как и одноби- товый, но на значительно более высо- ких частотах (рис. 6). Базовыми параметрами дигитайзеров являются полоса пропускания (пара- метр bandwidth), дискретность оциф- ровки (параметр bitrate) и частота дис- кретизации (параметр sampling rate). Полоса пропускания зависит от пара- метров передающего тракта дигитайзе- ра, который по возможности не должен вносить заметного затухания в измеряе- мый сигнал во всём заявленном диапа- зоне частот. Дискретность оцифровки зависит от параметров применяемого АЦП. Параметр sampling rate – это ско- рость, с которой АЦП дигитайзера спо- собен конвертировать входной сигнал в цифровые сэмплы. Частота дискретиза- ции высокоскоростного дигитайзера определяется внутренними часами, за- дающими АЦП точки преобразования мгновенных срезов аналогового сигна- ла в цифровые значения. В силу техни- ческих ограничений названные пара- метры вообще зависимы друг от друга. Например, увеличение разрешения (bitrate) заставляет разработчиков по- нижать частоту дискретизации (samp- ling rate). По этой причине при выборе дигитайзера для решения конкретных задач приходится идти на компромисс. В этой статье рассказывается о возмож- ностях и ограничениях, присущих ди- гитайзерам с полосой пропускания бо- лее 20 МГц и дискретностью преобразо- вания более 12 бит. Р АЗРЕШЕНИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН Точность преобразования АЦП опре- деляется числом бит в оцифрованном значении аналогового сигнала. Для N - битового преобразователя число дис- кретов, на которые разбивается весь диапазон измерения, определяется как 2 N . Например, для 12-битового АЦП эта величина будет равна 4096. При этом младший значащий бит опреде- ляет минимальное значение аналогово- го сигнала, которое может быть оциф- ровано. В описанном случае это 1/4096, или 2,4 × 10 –4 . Чтобы преобразовать это значение в вольты, надо взять макси- мальный входной диапазон дигитайзе- ра и разделить его (в нашем случае) на 2 12 . В таблице 1 представлено сравне- ние точности преобразования в зависи- мости от битрейта дигитайзера. В ИДЫ ОГРАНИЧЕНИЙ МАКСИМАЛЬНОГО РАЗРЕШЕНИЯ ДИГИТАЙЗЕРОВ Среди источников помех при циф- ровых преобразованиях аналоговых сигналов можно выделить шумы и ис- кажения. Искажением является ошиб- ка в оцифрованном сигнале, в значи- тельной мере зависящая от измеряе- мого сигнала и связанная с ним. Иска- жение не является случайной величи- ной, но зависит от входного сигнала. Наиболее распространённой формой искажений являются гармонические искажения. Типичным источником та- ких искажений является нелинейность передаточной функции устройства, обусловленная насыщением, отсеч- кой, задержкой нарастания сигнала и другими факторами. Конструкция ди- гитайзеров, в которых для достижения более высоких частот дискретизации задействовано несколько независимых АЦП, вносит значительные искаже- ния на частоте дискретизации из-за несоответствия в коэффициентах уси- ления и в смещениях каждого тракта АЦП. Это чередующиеся искажения. Шум, в отличие от искажений, не кор- релирует с входным сигналом. Шум может быть определён как часть ошиб- ки сигнала, не являющейся функцией входной частоты. Шумы обычно про- являются в определённых диапазонах в зависимости от их источников. Шум, равномерно распределённый по всей частотной области, называется белым. Шум, который распределяется таким 18 СТА 3/2014 ОБ ЗОР / АППА РАТ НЫЕ С Р Е ДС Т В А www.cta.ru –– + Фильтр 4-го порядка 6-битовый АЦП 6-битовый ЦАП Линеаризатор Дециматор Цифровой процессор Модулятор Рис. 6. Структура многобитового дельта-сигма АЦП Частота F s /2 F s kF s /2 kF s Амплитуда Сигнал Шумовой фон Рис. 4. Эффект передискретизации Частота F s /2 F s kF s /2 kF s Амплитуда Сигнал Рис. 5. Эффект ограничения шума Таблица 1 Зависимость точности оцифровки сигнала от разрядности АЦП Разрядность АЦП, бит Идеальный динамический диапазон Минимальный дискрет оцифровки, мВ, для входного сигнала ±500 мВ 8 256:1 3,92 10 1024:1 0,98 12 256:1 0,244 14 4096:1 0,000061 16 65536:1 0,000015