Сигма-дельта АЦП

В ряде случаев точности, которую достигают АЦП последовательного приближения, недостаточно. Самую высокую точность преобразования на настоящее время — 24 двоичных разряда достигают сигма-дельта-АЦП. В этих аналого-цифровых преобразователях для достижения такой высокой разрешающей способности совмещены достижения как аналоговой, так и цифровой техники.

Для того чтобы понять, как работает этот вид аналого-цифровых преобразователей, давайте сначала рассмотрим, каким образом может быть представлен сигнал для последующей передачи по цифровой линии связи (или для запоминания на цифровом носителе информации). Первый вариант — это применение импульсно-кодовой модуляции. В этом случае каждый отсчет аналогового сигнала преобразуется в цифровой эквивалент, и это число передается по линии связи. Именно такой вариант мы и рассматривали до настоящего времени. Структурная схема линии связи с импульсно-кодовой модуляцией приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема линии связи с импульсно-кодовой модуляцией

Шумы квантования в такой системе равномерно распределены по частоте и не зависят от частоты входного сигнала. График уровня шума квантования на выходе аналого-цифрового преобразователя, в зависимости от частоты, приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость уровня шумов квантования АЦП от частоты

Существует альтернативный вариант передачи сигнала по линии связи в цифровой форме. В этом варианте передаются (или запоминаются) не абсолютные значения сигнала, а только приращения сигнала на заданном отрезке времени. Такой вид представления сигнала в цифровой форме называется дельта-модуляцией. Структурная схема линии связи с дельта-модуляцией приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема линии связи с дельта-модуляцией

Перед триггером в данной схеме применен аналоговый компаратор с нулевым порогом срабатыания. Однако в качестве подобного компаратора может быть использован и триггер Шмитта. Сигнал на выходе этой системы полностью соответствует сигналу на выходе схемы, приведенной на рисунке 1. Теперь обратите внимание, что в схеме используется два интегратора, но если переместить интегратор в цепи обратной связи на вход компаратора, то этот интегратор будет выполнять те же функции, что и интегратор на выходе схемы, а значит, он не потребуется — мы обойдемся одним интегратором. Новая схема дельта-модулятора приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема дельта-модулятора первого порядка

Частота дискретизации в линии связи с дельта-модуляцией обычно выбирается выше частоты дискретизации импульсно-кодовой модуляции. Только в этом случае качество сигнала на выходе этой системы становится сравнимым с качеством сигнала на выходе ИКМ системы. При этом чем выше частота дискретизации по отношению к частоте преобразуемого сигнала, тем меньше будет ошибка его дискретизации.

Обратите на это внимание! В системе с дельта-модуляцией ошибка квантования не распределена равномерно по всем частотам, а растет с ростом частоты преобразуемого сигнала. График уровня шума квантования на выходе дельта-модулятора, в зависимости от частоты, приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Зависимость уровня шумов квантования дельта-модуляции от частоты

Именно этим свойством дельта-модуляции мы и воспользуемся для уменьшения шумов квантования в аналого-цифровом преобразователе. Нас обычно интересует область частот от постоянного тока до верхней частоты сигнала. Если при помощи цифрового фильтра отфильтровать высокочастотные составляющие шума квантования, то можно значительно увеличить отношение сигнал/шум сигнала, представленного в цифровой форме.

При этом отношение сигнал/шум в данной схеме, в полосе рабочих частот, может оказаться значительно выше отношения сигнал/шум на выходе схемы, приведенной на рисунке 1. Теперь зададимся вопросом — если мы получили выигрыш по отношению сигнал/шум за счет неравномерного распределения шумов квантования, то нельзя ли сделать эту зависимость еще более неравномерной, то есть как бы "вытеснить" шумы квантования в область верхних частот, где они будут подавлены цифровым фильтром нижних частот.

Для этого можно использовать дельта-модулятор более высокого порядка по сравнению с дельта-модулятором первого порядка, приведенным на рисунке 4. Зависимость шумов квантования от частоты на выходе дельта-модуляторов различного порядка приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Частотная зависимость шумов квантования на выходе дельта-модуляторов различного порядка

В настоящее время используются дельта модуляторы третьего порядка. Модуляторы более высокого порядка не используются, так как их схемы являются потенциально неустойчивыми и могут самовозбуждаться. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка

Следующим блоком, определяющим высокие характеристики сигма-дельта-АЦП, является цифровой фильтр. Именно в двоичных сумматорах цифрового фильтра множество одноразрядных цифровых отсчетов входного сигнала превращается в многоразрядные двоичные цифры, которые затем поступают на выход аналого-цифрового преобразователя.

Основной задачей цифрового фильтра является уничтожение всех частотных составляющих выше верхней частоты полезного сигнала, поэтому на выходе этого цифрового фильтра можно значительно уменьшить частоту дискретизации, поэтому для синхронизации сигма-дельта-АЦП требуется частота, в несколько сотен раз выше частоты его выходного потока данных.

Обычно полоса рабочих частотсигма-дельта-АЦП, построенного по схеме, приведенной на рисунке 7, не превышает нескольких десятков герц, поэтому для более широкополосных сигналов, таких как звуковой сигнал, применяется несколько измененная схема. В ней в качестве преобразователя аналог-цифра используется не одноразрядный АЦП (аналоговый компаратор), а параллельный АЦП. Структурная схема подобного сигма-дельта-АЦП приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Структурная схема сигма-дельта-АЦП с применением параллельного АЦП

Еще одной распространенной задачей является преобразование в цифровую форму узкополосных радиосигналов промежуточной частоты. В этом случае необходимо очищать от шумов квантования не область частот около нулевой частоты, а некоторую область частот около промежуточной частоты. В этом случае в качестве интеграторов используются не фильтры низкой частоты (RC-цепочки), а полосовые фильтры (LC-контура). Структурная схема сигма-дельта-АЦП промежуточной частоты приведена на рисунке 9.

Рисунок 9. Структурная схема сигма-дельта-АЦП промежуточной частоты

На этом можно закончить обзор основных типов аналого-цифровых преобразователей, применяющихся в настоящее время в радиотехнике. Теперь давайте более подробно остановимся на устройстве цифро-аналоговых преобразователей.