Аналого-цифровые устройства

 
 
 
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт  
экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
С. Н. Гончаров, М. В. Марунин,  
Э. В. Запонов, А. А. Мартынов 
 
 
 
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА 
 
 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2019 

 
 
 
А64 
УДК 621.3.087.92 
ББК 32.96 
        А64 
 
 
 
Гончаров, С. Н., Марунин, М. В., Запонов, Э. В., Мартынов, А. А. 
Аналого-цифровые устройства: Учебно-методическое пособие. Саров: 
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019. – 128 с. : ил. 
 
ISBN  978-5-9515-0435-7 
 
 
Учебно-методическое пособие предназначено для подготовки и проведения 
лекций и практических занятий по курсу «Аналого-цифровые устройства». 
В учебном пособии, основанном на базе курса лекций, читаемых студентам 
СарФТИ НИЯУ МИФИ, рассмотрены вопросы формирования сигналов, методов 
и принципов построения аналого-цифровых и цифроаналоговых устройств. 
Пособие может быть использовано преподавателями и студентами соответствующих специальностей и будет полезно инженерно-техническим и научным 
работникам, занимающимся разработкой и применением вычислительных и радиотехнических устройств, связанных с преобразованием электрических сигналов. 
 
 
 
УДК 621.3.087.92 
ББК 32.96 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN  978-5-9515-0435-7                                               ©   ФГУП  «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019 

Содержание 
 
Список сокращений и условных определений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 
 
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 
 
1. Виды сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 
 
2. Цели обработки сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 
 
3. Формирование сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 
 
4. Методы и технологии обработки сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  10 
 
5. Сравнение аналоговой и цифровой обработки сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . .  11 
 
6. Обработка сигналов в реальном времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 
6.1. Структурная схема цифрового устройства обработки сигнала . . . . . . . . . 14 
6.2. Квантование аналогового сигнала по времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 
6.3. Критерий Найквиста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  16 
6.4. Погрешности дискретизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 
6.5. Фильтры для устранения эффекта наложения спектров  
       (антиалайзинговые фильтры) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  21 
 
7. Характеристики и параметры АЦП и ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  26 
7.1. Характеристики и параметры АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  26 
7.1.1. Характеристики и параметры, описывающие статические  
          свойства АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 
7.1.2. Характеристики и параметры, описывающие динамические  
          свойства АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 
7.1.3. Статические погрешности преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 
7.1.4. Динамические погрешности преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 
7.1.5. Взаимосвязь характеристик АЦП и кодируемого сигнала . . . . . . .  32 
7.2. Характеристики и параметры ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  34 
7.2.1. Характеристики и параметры, описывающие статические  
          свойства ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 
7.2.2. Характеристики и параметры, описывающие динамические  
          свойства ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 
 
8. Цифроаналоговые преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  36 
8.1. Микросхемы цифроаналоговых преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . .  36 
8.2. Преобразование передаточных характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 
8.3. Преобразование смещенного двоичного кода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  46 
8.4. Преобразование дополнительного цифрового кода . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 
8.5. Преобразование прямого двоичного кода со знаком . . . . . . . . . . . . . . . . .  50 

9. Аналого-цифровые преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  52 
9.1. Микросхемы АЦП параллельного типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 
9.2. АЦП последовательного типа на комплектах микросхем . . . . . . . . . . . . .  60 
9.3. Статическая передаточная характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 
9.3.1. Оценка источников погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 
9.4. Динамические характеристики АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 
9.4.1. Оценка времени преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  64 
9.4.2. Динамические погрешности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 
9.5. АЦП на микросхеме ЦАП К572ПА1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  67 
9.6. Микросхемы АЦП последовательного типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  70 
9.7. Аналого-цифровые преобразователи с промежуточным преобразова- 
       нием во временной интервал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  77 
9.8. Измерение временного интервала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  77 
9.9. Линейные интегрирующие преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  79 
9.10. Двухтактное интегрирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  83 
9.11. Линейный преобразователь значений сигнала во временной  
         интервал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  85 
9.12. Линейный преобразователь значений сигнала в частоту (период)  
         повторения импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 
9.13. Погрешности передаточных характеристик линейных интегрирую- 
         щих преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 
9.14. Микросхемы АЦП с интегрированием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  91 
9.15. Каскадирование аналого-цифровых преобразователей . . . . . . . . . . . . . . 95 
9.16. Преобразователи в нормальный двоичный код . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  97 
9.17. Преобразователи в код Грея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  101 
 
10. Цифровые устройства сопряжения и однокристальные системы . . . . . . . .  104 
 
Приложение 1. Коды, используемые в АЦП и ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  106 
Приложение 2. Лабораторный практикум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  111 
П2.1. Методические указания по выполнению лабораторных работ по  
          ЦАП и АЦП в пакете Multisim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 
П2.2. Исследование ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 
Эксперимент 1. Исследование преобразования двоичного кода  
в напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 
Эксперимент 2. Исследование ПКН с взвешенными сопротив- 
лениями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 
Эксперимент 3. Исследование ЦАП на основе матрицы R-2R . . . . . .  112 
Эксперимент 4. Исследование функциональной модели ПКН . . . . . .  113 
Эксперимент 5. Простейший преобразователь кода в ток . . . . . . . . . .  115 
Эксперимент 6. Исследование функциональной модели ПКТ . . . . . . . 115 
Эксперимент 7. Использование знакового разряда в ПКН . . . . . . . . . . 116 
 

Приложение 3. Исследование АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  116 
Эксперимент 1. АЦП, основанный на считывании состояния  
компараторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 
Эксперимент 2. Исследование функциональной модели четырех- 
разрядного АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  118 
Эксперимент 3. Исследование АЦП с единичными приращениями  
компенсирующего сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  119 
Эксперимент 4. АЦП, основанный на поразрядном уравнове- 
шивании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  121 
Приложение 4. Контрольные вопросы по курсу «Аналого-цифровые  
устройства» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  123 
Приложение 5. Задания для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  124 
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 
Современные цифровые технологии, обладая неограниченными возможностями по обработке, передаче и хранению информации, активно внедряются 
в разнообразные сферы человеческой деятельности. Совершенствование исследования окружающей нас природной среды, технологий производства, решение 
других жизненно важных задач требуют огромного количества точных вычислений. Здесь и возникает противоречие. Все известные физические явления и процессы, которые являются источниками исходных данных для вышеупомянутых 
вычислений, являются непрерывными аналоговыми величинами. Интенсивность 
излучения, температура нагретого тела, перемещение исполнительного механизма обрабатывающего станка, сила звука, напряженность магнитного поля, 
форма поверхности сложного изделия – все это чисто аналоговые величины. Поэтому прежде чем произвести какое-либо вычисление, необходимо получить 
численные значения величин, т. е. выполнить преобразование аналоговой величины в соответствующий ей цифровой эквивалент, точность которых должна 
быть не хуже желаемой точности результата. Кроме того, нередко результат вычисления также должен быть представлен в виде аналоговой величины с высокой степенью точности.  
Цифровое представление аналоговой информации можно хранить в неизменном виде в течение практически неограниченного времени. Многие из аналоговых процессов быстротечны и не повторяются вновь, фиксация их аналоговыми методами – ненадежна. Цифровые же методы хранения информации более 
устойчивы к воздействию разного рода искажающих факторов.  
По указанным выше причинам роль приборов, преобразующих аналоговые 
величины в цифровые и обратно – аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), становится чрезвычайно важной и во многом определяет точность получаемого результата. 
Цель данного пособия состоит в том, чтобы ознакомить с физическими и математическими основами процессов аналого-цифрового и цифроаналогового 
преобразований, разобраться с многочисленными типами АЦП и ЦАП и их погрешностями, оценить их потенциальные возможности, достоинства и недостатки при решении конкретной прикладной задачи. 

1. Виды сигналов 
 
Электрический сигнал определяется как напряжение или ток, который может быть передан как сообщение или информация. По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного или переменного тока, 
цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами. 
Цифровым сигналом называется сигнал, определённым образом обработанный и преобразованный в цифры. Обычно цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но иногда между ними нет связи. В качестве 
примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях 
(ЛВС) или в других высокоскоростных сетях.  
Для обеспечения цифровой обработки сигнала (ЦОС) аналоговый сигнал 
преобразуется в двоичную форму устройством, которое называется аналогоцифровым преобразователем (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное 
представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметическим цифровым сигнальным процессором (DSP). После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифроаналогового преобразователя (ЦАП). 
Другой ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт, что 
сигнал всегда несет некоторую информацию. Это ведет нас к ключевой проблеме 
обработки физических аналоговых сигналов – проблеме извлечения информации. 
 
 
 
 
2. Цели обработки сигналов 
 
Главная цель обработки сигналов заключается в необходимости получения 
содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в спектральном 
составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов. 
Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может 
быть использована различными способами. В некоторых случаях желательно 
переформатировать информацию, содержащуюся в сигнале. 
В частности, изменение формата сигнала происходит при передаче звукового сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частотным разделением (FDMA – frequency division multiple access). В этом случае используются аналоговые методы для того, чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре при передаче через радиорелейную станцию сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель. 

В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация вначале преобразуется в цифровую информацию с использованием АЦП. Цифровая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы, мультиплексируется во 
времени (многоканальный доступ с временным разделением (TDMA – time division multiple access) и передается по последовательной цифровой линии связи 
(как в ИКМ-системе). 
Еще одна причина обработки сигналов заключается в необходимости сжатия полосы частот сигнала (без существенной потери информации) с последующим форматированием и передачей информации на пониженных скоростях, что 
позволяет сузить требуемую полосу пропускания канала. В высокоскоростных 
модемах и системах адаптивной импульсно-кодовой модуляции (ADPCM) широко используются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), также 
как и в цифровых системах мобильной связи, системах записи звука MPEG, 
в телевидении высокой четкости (HDTV). 
Промышленные системы сбора данных и системы управления используют 
информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют процессом. Обратите внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, 
так и датчиков, устройств нормализации сигнала и DSP (или микроконтроллеров). 
В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует 
шум, и основной целью обработки входного сигнала является его восстановление. Такие методы, как фильтрация, автокорреляция, свертка, часто используются для выполнения этой задачи и в аналоговой, и в цифровой областях. 
Таким образом, целью цифровой  обработки сигналов является: 
− извлечение информации о сигнале (амплитуда, фаза, частота, спектральные составляющие, временные соотношения); 
− преобразование формата сигнала (телефония с разделением каналов FDMA, 
TDMA, CDMA); 
− сжатие данных (модемы, сотовые телефоны, телевидение HDTV, сжатие 
MPEG); 
− формирование сигналов обратной связи (управление промышленными 
процессами); 
− выделение сигнала из шума (фильтрация, автокорреляция, свертка); 
− выделение и сохранение сигнала в цифровом виде для последующей обработки (БПФ). 
 
 
 
3. Формирование сигналов 
 
В большинстве приведенных ситуаций, связанных с использованием DSP-технологий, необходимы как АЦП, так и ЦАП. Тем не менее, в ряде случаев требуется только ЦАП, когда аналоговые сигналы могут быть непосредственно сгене

рированы на основе DSP и ЦАП. Хорошим примером являются дисплеи с разверткой видеоизображения, в которых сгенерированный в цифровой форме сигнал управляет видеоизображением или блоком RAMDAC (преобразователем 
массива пиксельных значений из цифровой в аналоговую форму).  
Другой пример – это искусственно синтезируемые музыка и речь. В действительности, при генерации физических аналоговых сигналов с использованием 
только цифровых методов полагаются на информацию, предварительно полученную из источников подобных физических аналоговых сигналов. В системах 
отображения данные на дисплее должны донести соответствующую информацию оператору. При разработке звуковых систем задаются статистическими 
свойствами генерируемых звуков, которые были предварительно определены с 
помощью широкого использования методов ЦОС (источник звука, микрофон, 
предварительный усилитель, АЦП и т. д.). 
 
 
 
 
4. Методы и технологии обработки сигналов 
 
Сигналы могут быть обработаны с использованием аналоговых методов 
(аналоговой обработки сигналов, или ASP), цифровых методов (цифровой обработки сигналов, или DSP) или комбинации аналоговых и цифровых методов 
(комбинированной обработки сигналов, или MSP (Multimedia Signal Processor)). 
В некоторых случаях выбор методов ясен, в других случаях нет ясности в выборе, и принятие окончательного решения основывается на определенных соображениях. 
Что касается DSP, то главное отличие его от традиционного компьютерного 
анализа данных заключается в высокой скорости и эффективности выполнения 
сложных функций цифровой обработки, таких как фильтрация, анализ с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) и сжатие данных в реальном 
масштабе времени. 
Термин «комбинированная обработка сигналов» подразумевает, что системой выполняется и аналоговая, и цифровая обработка. Такая система может 
быть реализована в виде печатной платы, гибридной интегральной схемы (ИС) 
или отдельного кристалла с интегрированными элементами. АЦП и ЦАП рассматриваются как устройства комбинированной обработки сигналов, так как 
в каждом из них реализованы и аналоговые, и цифровые функции. 
Недавние успехи технологии создания микросхем с очень высокой степенью 
интеграции (VLSI) позволяют осуществлять комплексную (цифровую и аналоговую) обработку на одном кристалле. Сама природа ЦОС подразумевает, что 
эти функции могут быть выполнены в режиме реального масштаба времени.