Разработка сигма-дельта модулятора на КМОП-структурах для аналогово-цифровых преобразователей - Дипломная работа

Кафедра уравнений математической физики РАЗРАБОТКА СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРА НА КМОП-СТРУКТУРАХ ДЛЯ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 16 - на соискание квалификации «Математик. Верниковский Евгений Александрович доцент, кандидат технических наук Рецензент Степанец Владимир Яковлевич доцент кафедры УМФ, кандидат технических наукЭто играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессор регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса, или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционно аналоговой работы. Аналогово-цифровое преобразование также следует использовать в тех областях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например, «цифровая звукотехника»).В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Наконец, в некоторых АЦП (например, МАХ1151) для снижения вероятности сбоев при параллельном АЦ-преобразовании используется двухтактный цикл, когда сначала состояния выходов компараторов фиксируются, а затем, после установления состояния приоритетного шифратора, подачей активного фронта на синхровход выходного регистра в него записывают выходное слово АЦП. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 КГЦ (например, DSP101 фирмы Burr-Brown). Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления туст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора тк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения тз.Как было описано в главе 1, сигма-дельта модулятор включает в себя сумматор напряжений, интегратор, компаратор (одноразрядный АЦП), D-триггер и одноразрядный ЦАП. Входной сигнал поступает на сумматор напряжений, который вычитает из этого сигнала сигнал на выходе ЦАП с предыдущего такта работы схемы, полученный сигнал поступает на интегратор, где он интегрируется и с помощью компаратора преобразуется в цифровой код (логический 0 или 1). Далее код сохраняется в двухтактный D-триггер, на следующем такте преобразованный в аналоговый сигнал (для ‘0’ это Vref для ‘1’ это-Vref) этот код будет вычтен из входного сигнала и работа схемы повторится. Для определения кода, соответствующего входному сигналу, используются цифровой фильтр и дециматор (их работа описана в главе 1), однако, они очень сложно реализуются и в большинстве случаев используются микроконтроллеры, поэтому для оцифровки будем использовать восьмиразрядный счетчик (получим восьмиразрядный код), с помощью которого будем подсчитывать количество значений ‘1’ на выходе триггера. Счетчик строился на идеальных триггерах и не влияет на работу сигма-дельта модулятора, ведь целью работы является разработка и исследование самого модулятора.Для работы сигма-дельта модулятора используется вычитатель напряжений (его можно назвать и сумматором напряжений), так как из входного сигнала вычитается сигнал на выходе ЦАП с предыдущего такта работы сигма-дельта модулятора. Вычитатель, используемый с схеме сигма-дельта модулятора должен обладать единичным коэффициентом, в силу этого выбираются равные сопротивления резисторов[4]. Входные аналоговые сигналы компаратора суть Uвх - анализируемый сигнал и Uоп - опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации: Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. Задержка переключения компаратора составляет 2.4нс (это delta, она определяется разностью между линиями А и В), что конечно же отразиться на работе сигма-дельта модулятора, однако вполне приемлемо.В данной работе были проанализированы и систематизированы сведения об аналогово-цифровых преобразователях, приведена их классификация по схемотехническим признакам. Разработана модель сигма-дельта АЦП на основе сигма-дельта модулятора первого порядка, включающая восьмиразрядный счетчик и параллельный регистр.