Конвейерные АЦП

Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обычном многоступенчатом АЦП (рис. 4) вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе в процессе преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП, схема 8-разрядного варианта которого приведена на рис. 6.

Рис.6 Структурная схема конвейерного АЦП

Роль аналогового элемента задержки выполняет устройство выборки-хранения ПВХ2, а цифрового - четыре D-триггеры. Триггеры задерживают передачу старшего напивбайта в выходной регистр на один период тактового сигнала CLK.

Сигналы выборки, сформированные из тактового сигнала, поступают на ПВХ1 и ПВХ2 в разные моменты времени (рис. 7). ПВХ2 переводится в режим сохранения позднее ПВХ1 на время, равное суммарной задержке распространения сигнала по АЦП1 и ЦАП. Задний фронт тактового сигнала управляет записью кодов в D-триггеры и выходной регистр. Полная обработка входного сигнала занимает около двух периодов CLK, но частота появления новых значений выходного кода равна частоте тактового сигнала

Рис.7 Диаграммы работы конвейерного АЦП

Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохождения сигнала, которая соответствует обычному многоступенчатом АЦП с равным количеством ступеней, не имеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП. Действительно, например, для построения 12-разрядного АЦП с четырех 3-разрядных необходимо 28 компараторов, тогда как его реализация из двух 6-разрядных потребует 126 компараторов

Конвейерную архитектуру имеет большое количество многоступенчатых АЦП, выпускаемых в настоящее время. В частности, 2-ступенчатый 10-разрядный AD9040А, выполняющей до 40 млн. преобразований в секунду (Мпс), 4-ступенчатый 12-разрядный AD9220 (10 Мпс), который потребляет всего 250 мВт, и др. При выборе конвейерного АЦП следует иметь в виду, что многие из них не допускают работу с низкой частотой выборок. Например, производитель не рекомендует работу ИМС AD9040А с частотой преобразований менее 10 Мпс, 3-ступенчатого 12-разрядного AD9022 с частотой менее 2 Мпс и т.д. Это вызвано тем, что внутренние ПВХ имеют довольно высокую скорость разряда конденсаторов хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразований сигнала в ходе преобразования.< /span>