Лабораторные работы № 1 – 4 по теме « Проектирование АЦП
реклама
Лабораторные работы № 1 – 4 по теме « Проектирование АЦП и ЦАП». 1. Лабораторная работа №1: Спроектировать электрические схемы основных элементов АЦП различных типов (табл. 1). Спроектировать топологию входных и выходных площадок АЦП с элементами защиты от воздействия ESD. 2. Лабораторная работа №2: Спроектировать полную электрическую схему АЦП различных типов. Спроектировать топологию основных элементов АЦП. 3. Лабораторная работа №3: Спроектировать топологию АЦП. 4. Лабораторная работа №4: Рассчитать параметры АЦП в соответствии с табл.2. Таблица 1. Техническое задание на проектирование АЦП различных типов. № Наименование варианта (тип АЦП) Параметры АЦП (технические требования) Быстродействующий 8 – разрядов, АЦП параллельного время преобразования – типа (пример 1). 10 нс., частота выборок входного сигнала -100 МГц, частота входного сигнала – 30 МГц Примечание 2 (бригада №2) АЦП последовательного приближения, выполненный на основе матрицы переключаемых конденсаторов (пример 2). Для расчета SFDR использовать преобразование Фурье выходного сигнала. 3 (бригада №3) АЦП последовательного приближения, выполненный на основе R-2R матрицы (примеры 2, 3). 4 (бригада №4) АЦП двойного интегрирования (пример 4). 1 (бригада №1) Параметры АЦП (результаты расчета) Время преобразования; DR (Fin=30 МГц, Fclk=100 МГц); SFDR (Fin=30 МГц, Fclk=100 МГц); Мощность потребления. 8 – разрядов, Время время преобразования – преобразования; 1 мкс., частота выборок DR (Fin=0.3 МГц, входного сигнала -1 Fclk=1 МГц); МГц, SFDR (Fin=0.3 частота входного МГц, Fclk=1 сигнала – 300 КГц МГц); Мощность потребления. 8 – разрядов, Время время преобразования – преобразования; 1 мкс., частота выборок DR (Fin=0.3 МГц, входного сигнала -1 Fclk=1 МГц); МГц, SFDR (Fin=0.3 частота входного МГц, Fclk=1 сигнала – 300 КГц МГц); Мощность потребления. 14 – разрядов, Время время преобразования – преобразования; 1 мс., частота выборок DR (Fin=0.3 КГц, входного сигнала -1 Fclk=1 МГц); МГц, SFDR (Fin=0.3 частота входного КГц, Fclk=1 сигнала – 300 Гц МГц); Мощность потребления. Для расчета SFDR использовать преобразование Фурье выходного сигнала. Для расчета SFDR использовать преобразование Фурье выходного сигнала. Для расчета SFDR использовать преобразование Фурье выходного сигнала. Пример 1. Параллельный АЦП. Uоп Аналоговый вход R/2 Переполнение R R R R Шифратор Двоичный код Термометрический код R Цифровой выход R R R/2 Компараторы а) Аналоговый вход Uri б) Рис. 1. Параллельный 3–х разрядный АЦП (а), пример схемы преобразования термометрического кода в единичный код (б). Пример 2. АЦП последовательного приближения с перераспределением заряда. Структурная схема АЦП последовательного приближения приведена на рис. 2. Аналоговый вход Регистр последовательного приближения b1 b2 bN УВХ Цифровой выход ЦАП Uоп Рис. 2. АЦП последовательного приближения В АЦП последовательного приближения наиболее часто используется ЦАП с перераспределением заряда, который строится на основе матрицы двоично – взвешенных конденсаторов (рис. 3). S2 16C 8C 4C b2 b1 2C C C b5 b4 b3 На регистр последовательного приближения S3 S1 Аналоговый вход Uоп Рис. 3. АЦП последовательного приближения с перераспределением заряда Пример 3. ЦАП на основе R – 2R матрицы. Пример ЦАП на основе R – 2R матрицы приведен на рис. 4. RH b1 2R b3 b2 Ir 2R Ir -UОП R Ir /2 2R Ir /4 Ir /2 -UОП /2 R Uвых b4 2R Ir /4 -UОП /4 R Ir /8 Ir /8 -UОП /8 2R Рис. 4. 4 – разрядный ЦАП на основе R–2R матрицы Пример 4. АЦП двойного интегрирования. Структурная схема АЦП двойного интегрирования и диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 5. Аналоговый вход Uоп Uх Компаратор Интегратор Управляющая логика Счётчик Тактовая частота а) Цифровой выход Ux Фаза 2 Фаза 1 Uоп -U вх3 -Uвх2 Uоп -Uвх1 Uоп T (Время) T1 T2 H(f) , б) дБ 0 -10 -20 -30 10 50 f, Гц 100 150 200 250 в) Рис. 5. АЦП двойного интегрирования (а), диаграмма работы АЦП (б), АЧХ АЦП с фильтрацией помех кратных 50 Гц. Т а б л и ц а 2. Основные характеристики АЦП используемые при проектировании и расчете АЦП в лабораторных работах. Наименование 1 Число разрядов Определение и описание 2 Обознач Единица ение измерен ия 3 4 Двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на выходе Разрядность N Number of Bits Полоса пропускания входного сигнала B Полоса пропускания входного сигнала обусловленная входными цепями АЦП определяется постоянной времени RC, где C – входная емкость, R – эквивалентное входное Input Bandwidth сопротивление АЦП. Полоса пропускания определяет ослабление входного сигнала до его поступления на цепи выборки (стробирования) Тактовая Частота следования основных частота тактовых импульсов Clock Frequency Время Интервал времени от момента преобразовани изменения сигнала на входе АЦП до я появления на выходе соответствующего устойчивого кода. Conversion Для АЦП с управляющим сигналом Time запуска – время, отсчитываемое от сигнала начала преобразования до появления выходного кода, соответствующего входному сигналу Бит Bits BW МГц MHz Fclk МГц MHz Tc мкс Tconv S Частота Частота, с которой входной сигнал преобразовани преобразуется в выходной код с я заданными характеристиками преобразования. Частота Conversion преобразования может быть больше Frequency частоты, обусловленной временем преобразования, например, в конвейерном АЦП, в котором выборки входного сигнала подвергаются последовательной обработке, или меньше частоты, обусловленной временем преобразования, например, в случае наличия фазы предустановок Частота Частота последовательных выборок выборок входного сигнала входного сигнала Частота дискретизации входного сигнала Fc МГц MHz Fconv MSPS Fs МГц Fsamp MHz ENOB Бит Bits Fb МГц MHz DR дБ SNDR SINAD dB Sampling Rate Эффективное Число разрядов достигаемое при количество бит заданной частоте входного сигнала Effective Number of Bits Максимальная частота входного сигнала Максимальная частота входного синусоидального сигнала, при которой преобразование данной синусоиды обеспечивается с заданными характеристиками Maximum Input Frequency Динамический диапазон Отношение сигнал – шум плюс гармонические искажения Отношение эффективного значения максимальной амплитуды входного синусоидального сигнала к эффективному значению шумов и гармонических искажений той же синусоиды на выходе Dynamic Range Signal–to–Noise and distortion ratio Динамический диапазон по наибольшей гармонике искажений Spurious–free dynamic range Погрешность усиления Погрешность полной шкалы Отношение эффективного значения максимальной амплитуды входного синусоидального сигнала к эффективному значению наибольшей гармоники искажений той же SFDR синусоиды на выходе Отклонение в точке полной шкалы между идеальной и реальной характеристиками преобразования после исключения погрешности смещения нуля GE Full Scale Error Gain Error Погрешность Отклонение от идеального значения смещения нуля напряжения входного сигнала при переходе выходного кода 0…00 в код Offset Error 0…01 Uсм OE Интегральная Отклонение реальной характеристики INL дБ dB мВ МЗР %ПШ mV LSB %FSR мВ МЗР %ПШ mV LSB %FSR мВ нелинейность Integral Nonlinearity Error Дифференциа льная нелинейность Differencial Nonlinearity Error преобразования от идеальной линии после исключения погрешностей смещения нуля и усиления Разность между значением шага квантования и шириной ступеньки реального АЦП в данной точке характеристики преобразования МЗР %ПШ mV LSB %FSR DNL мВ МЗР %ПШ mV LSB %FSR
