АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (АЦП) ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С БОЛЬШИМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) для обработки сигналов с большим динамическим диапазоном и большим значением среднеквадратического отклонения (СКО) шума без потери слабых сигналов, находящихся под шумом, и может быть использовано в цифровых измерительных приборах и других радиотехнических устройствах.
Известны АЦП, использующие одиночные замеры без последующего накопления, что свойственно цифровым измерительным приборам, при этом точность измерения сигнала составляет 0,5 кодовой единицы. Для обработки сигналов с большим динамическим диапазоном используются многоразрядные АЦП, что приводит к резкому сокращению амплитуды одного дискрета. Так для 24 разрядного АЦП величина одного дискрета составляет 596 нВ при полной шкале 10 В, в то время как шум Джонсона при ширине полосы 10 кГц, температуре 25°С и R=2,2 кОм составляет 600 нВ [1].
Для определения амплитуды слабого сигнала, находящегося под шумом, используются широкополосные многоразрядные АЦП с цифровыми фильтрами, которые уменьшают СКО шума с уменьшением полосы цифрового фильтра [2]. Но в этом случае, поскольку величина дискрета мала,
на точность измерения влияют систематические ошибки АЦП, такие как затягивание фронтов импульса, шум перехода и др., причем, чем меньше дискрет АЦП, тем больше влияние систематических ошибок.
Известны АЦП, использующие увеличение коэффициента усиления аналоговых каскадов по входу [3], являющиеся прототипом предлагаемого АЦП. Но в этом случае происходит уменьшение динамического диапазона обрабатываемых сигналов, т.к. за счет усиления большие сигналы раньше входят в ограничение. Недостатком данной схемы является невозможность одновременной обработки и слабых сигналов, и сильных сигналов, поскольку усиление приводит к более раннему ограничению АЦП.
Задачей данного изобретения является создание АЦП с повышенной точностью обработки аналоговых сигналов с большим динамическим диапазоном и большим СКО шума без потери слабых сигналов, находящихся под шумами и без снижения динамического диапазона.
Для достижения данного технического результата схема аналого-цифрового преобразователя (Фиг.1) содержит многоразрядный АЦП 1 с величиной дискрета d(1) и соединенную с ним по входу ветвь, состоящую из усилителя аналоговых сигналов и одноразрядного АЦП 2 с величиной дискрета d(2), значение которой в зависимости от СКО шума должно в несколько раз превышать величину d(1), при этом коэффициент усиления усилителя выбирается равным Кус=d(2)/d(1).
На Фиг.1 представлена схема АЦП для обработки сигналов с большим динамическим диапазоном.
На Фиг.2 показан вид характеристики АЦП 1.
На Фиг.3 показан вид характеристики АЦП 2.
Входной сигнал (Фиг.1) одновременно подается на многоразрядный АЦП 1 и на усилитель, с выхода которого подается на вход одноразрядного АЦП 2, с выхода которого сигнал подается на дальнейшую обработку вместо сигнала младшего разряда многоразрядного АЦП 1. Как показано на Фиг.2, при поступлении сигнала с большой амплитудой, точность его определения обеспечивается многоразрядным АЦП 1, не ограничивающим данные амплитуды, но при поступлении сигнала с малой амплитудой, находящегося под шумами, он может быть утерян за счет систематических ошибок (зона систематических ошибок показана на Фиг.2 как Δ), поэтому он определяется одноразрядным АЦП 2 после усиления, как показано на Фиг.3. Следует отметить, что зона систематических ошибок при усилении остается по-прежнему равной Δ. При этом для наглядности на Фиг.3 показано определение сигнала при увеличении дискрета d(2) АЦП 2 в четыре раза по сравнению с d(1) АЦП 1 и при коэффициенте усиления усилителя равном четырем. В действительности эта величина должна выбираться гораздо большей для уменьшения влияния систематических ошибок.
Данная схема решает все поставленные задачи. Применение двух АЦП, многоразрядного и одноразрядного с усилителем, обеспечивает обработку сигналов с большим динамическим диапазоном и большим СКО шума. Использование многоразрядного АЦП 1 с величиной дискрета d(1) обеспечивает верхнюю границу определения амплитуд сигналов.
Определение слабых сигналов под шумами обеспечивается за счет использования усилителя входного сигнала с коэффициентом усиления Kус=d(2)/d(1) и одноразрядного АЦП 2 с дискретом d(2), в несколько раз превышающим d(1). Поскольку величина дискрета d(2) одноразрядного АЦП 2 увеличена в несколько раз, снижается влияние систематических ошибок, которое особенно проявляется при определении сигналов, величина которых соизмерима с дискретом АЦП, следовательно, данное изобретение повышает точность обработки слабых аналоговых сигналов.
Выполненный согласно изобретению АЦП с применением двух ветвей обработки сигналов и выбором соотношения дискретов АЦП 1 и АЦП 2 в соответствии с СКО шума обрабатываемых сигналов, позволил, не усложняя схему, обрабатывать сигналы в большом динамическом диапазоне, определяемом вверх разрядностью многоразрядного АЦП 1, а вниз - точностью работы одноразрядного АЦП 2.
Литература:
1. Analog-digital conversion, Kester W., march 2004, ADI Central Application Department, p.2.13,2.42-2.43.
2. Исследование аналого-цифровых преобразователей для цифровой обработки сигналов при помощи когерентных отсчетов, Б.Колеман, П.Мииган, Дж.Рейди, П.Уникс, (перевод Р-06423).
3. Способы дифференциального измерения с дельта-сигма АЦП Linear Technologies, часть 2, А.Козлов, Г.Королев, «CHIP NEWS Украина/Инженерная микроэлектроника», №3, 2007, стр.49.