Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
_{Analog-to-Digital convertors (ADC)}

    АЦП служит для измерения напряжения, т.е. преобразования аналоговой информации в цифру. Амплитудам в диапазоне V_n + V ставится в соответствие число n. Одной из характеристик АЦП является его разрядность, т.е. количество дискретных значений напряжения, на которые может делиться весь рабочий диапазон входных (анализируемых) напряжений. Когда АЦП используется для амплитудного анализа, число, получаемое на выходе АЦП используется для адресации памяти и называется номером канала, а V - шириной канала. Номер канала несет информацию об амплитудном значении сигнала. Амплитуда в свою очередь связана с измеряемой физической величиной (энергией, временем и т.п.). Максимальное количество каналов связано с разрядностью АЦП. АЦП нередко служат интерфейсом между измерительной аппаратурой и компьютером. (Многоканальные анализаторы, в состав которых входят АЦП, по сути, специализированные ЭВМ.)
 Современные АЦП обычно имеют до 14 двоичных разрядов (16384 каналов). В зависимости от требований эксперимента измерения могут производиться при разных диапазонах конверсии (512, 1024 и т.д.) вплоть до максимального, определяемого разрядностью АЦП
    Важными характеристиками АЦП, используемых для спектроскопии, являются интегральная и дифференциальная нелинейности.

Рис. 1. Идеальная (сплошная зеленая линия) и реальная функция преобразования АЦП

     Интегральная нелинейность I_int характеризует отклонение реальной функции преобразования (штрихпунктир) от идеальной линейной (сплошная линия) (см. рис. 1). Интегральная нелинейность I_int определяется следующим образом

I_int% = 100(V_nom - V_act)/V_max,

где (V_nom - V_act) - максимальное отклонение от линейности.
    Дифференциальная нелинейность I_dif характеризует неоднородность ширин каналов АЦП и определяется следующим образом.

I_dif% = 50(W_max - W_min)/W_avg,

где W_max, W_min и W_avg - максимальная, минимальная и средняя ширины каналов.
    У качественных АЦП дифференциальная нелинейность ~1%, а интегральная <0.05% при 12-разрядном (4096 каналов) преобразовании.

    В промышленной электронике было разработано много методов преобразования аналоговых величин в цифровой код. Однако в ядерной электронике используются только некоторые из них. В основном используются АЦП вилкинсоновского типа и АЦП поразрядного взвешивания. В последнее время в ядерной электронике стали использоваться и параллельные АЦП, входящие в состав цифровых процессоров сигналов.

Рис. 2. Сигналы в АЦП во время измерения.

а)

б)

в) Рис. 3. Циклы работы АЦП вилкинсоновского типа.

Аналого-цифровой преобразователь вилкинсоновского типа

    Принцип работы АЦП вилкинсоновского типа (D.H Wilkinson) основан на преобразовании амплитуда - время. Входной импульс поступает на дискриминатор нижнего уровня, уровень дискриминации которого обычно устанавливается выше уровня шумов (см. рис. 2). Когда уровень входного сигнала достигнет уровня дискриминации, линейные ворота открываются, и накопительная емкость C соединяется с входом (рис. 3а). Начинается заряд емкости до амплитудного значения  входного сигнала. Когда емкость зарядится, линейные ворота закрываются, накопительная емкость отсоединяется от входа и присоединяется к источнику постоянного тока (рис. 3б). Начинается линейный разряд емкости. В это же время таймирующий (времязадающий) генератор подключается к адресному счетчику, который начинает считать импульсы таймирующего генератора. Частота генератора обычно 100 - 200 МГц. Когда емкость полностью разрядится, накопительная емкость отсоединяется от источника постоянного тока, а таймирующий генератор отсоединяется от адресного счетчика (рис. 3в) и начинается цикл записи в память. Число сосчитанных во время разряда емкости импульсов определяет время разряда накопительной емкости, а время линейного разряда пропорционально амплитуде анализируемого импульса. Полученное в адресном счетчике число (код) используется для адресации соответствующей ячейки памяти, куда добавляется единица.
    Мертвое время у этого АЦП складывается из

  = T_r + T_c + T_mc,

где T_r  - время достижения максимума импульса, T_c - время конверсии, T_mc - время цикла записи. Времена T_r  и T_mc около 1 мкс. Основной вклад в мертвое время вносит время конверсии, которое зависит от амплитуды входного импульса или соответственно от номера канала n (T_c = nT_gen), где T_gen - период таймирующего генератора. Так T_c = 10 мкс при частоте генератора 100 МГц и n = 1000.
    У АЦП вилкинсоновского типа малые интегральная и дифференциальная нелинейности, однако относительно большое мертвое время, которое к тому же зависит от амплитуды.

Аналого-цифровой преобразователь поразрядного взвешивания
Successive approximation ADC (Fixed Dead Time ADC)

    Принцип работы АЦП поразрядного взвешивания заключается в последовательном сравнении амплитуды анализируемого сигнала (V_in) с напряжением цифро-аналогово преобразователя (V_DAC), уровень которого задается регистром.

    Для простоты рассмотрим работу трехразрядного АЦП. В начальном состоянии в старшем бите регистра установлена единица (100). Согласно этой установке цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) устанавливает напряжение равное половине динамического диапазона (V_DAC = V_max/2). Это напряжение сравнивается с величиной измеряемой амплитуды V_in. Если V_in > V_max/2, то в регистре следующий бит (110), а в ЦАП соответственно устанавливается напряжение 6/8(V_max). Если V_in < V_max/2, то в регистре старший бит зануляется, а единица устанавливается в следующем бите (010), что соответствует напряжению ЦАП 2/8(V_max). После еще одного (третьего) сравнения преобразование заканчивается, при этом |V_in  - V_DAC| < V_max/8, а конечное состояние регистра определяет адрес ячейки памяти, куда добавляется единица. В 12-разрядном АЦП (4096 каналов) проводится соответственно 12 сравнений. Время преобразования и, соответственно, мертвое время АЦП поразрядного взвешивания не зависит от амплитуды как в АЦП вилкинсоновского типа, а определяется количеством сравнений, т.е. разрядностью. Мертвое время АЦП поразрядного взвешивания ~1 мкс. Дифференциальная нелинейность таких АЦП несколько хуже, чем у АЦП вилкинсоновского типа.
    Улучшить дифференциальную нелинейность можно с помощью метода сдвигающейся шкалы (sliding scale linearization). Его также называют методом статистического разравнивания. Сущность этого метода заключается в следующем. К входному сигналу добавляется ступенька напряжения примерно равная ширине канала, к следующему входному сигналу -  удвоенная ступенька и т.д. m раз, после чего система возвращается в исходное состояние*. В адресном регистре каждый раз формируется число, которое на m больше, чем должно было бы быть без добавления "ступенек". Затем из адресного регистра это число m вычитается. Таким образом, происходит статистическое усреднение ширины каналов, и дифференциальная нелинейность уменьшается в (m+1) раз.
__________________________________________________
* Это похоже на измерение расстояний при помощи линейки, нулевая отметка у которой от измерения к измерению сдвигается на одно деление.

Параллельное АЦП
Flash ADC

    Успехи микроэлектроники позволили создать параллельные АЦП, с помощью которых можно снимать профили аналоговых сигналов, т.е. получать развертку сигнала во времени в цифрах. В параллельном АЦП содержится большое количество (2^k), где k - разрядность АЦП, параллельно включенных дискриминаторов  с последовательно увеличивающимися порогами дискриминации

V_n = V_n-1 + V.

Количество сработавших дискриминаторов собственно и есть результат преобразования аналоговой информации (напряжения) в цифру. Неоспоримым преимуществом таких АЦП является то, что они очень быстрые.  Параллельные АЦП в частности нашли применение в цифровых процессорах спектрометрических сигналов. Для большинства применений такие АЦП должны иметь 12 разрядов и оцифровывать с частотой ~100 МГц. Для временных измерений с быстрыми сцинтилляторами требуются 8-разрядные АЦП с частотой ~1 ГГц.

[ОГЛАВЛЕНИЕ]