O tehnică populară în telecomunicații și reproducerea de înaltă fidelitate a muzicii este ADC și DAC cu un singur bit. Acestea sunt tehnici multirate în care o rată de eșantionare mai mare este tranzacționată pentru un număr mai mic de biți. În cele din urmă, este necesar un singur bit pentru fiecare eșantion. Deși există mai multe configurații de circuite diferite, cele mai multe se bazează pe utilizarea modulației delta. Trei circuite exemplu vor fi prezentate pentru a vă oferi o aromă a câmpului. Toate aceste circuite sunt implementate în IC, deci nu vă faceți griji unde ar trbui să meargă toate tranzistoarele individuale și A.O. Nimeni nu vă va cere să construiți unul din aceste circuite din componentele de bază.

Figura 3-16 prezintă diagrama bloc a unui modulator tipic delta. Intrarea analogică este un semnal vocal cu o amplitudine de câțiva volți, în timp ce semnalul de ieșire este un flux de unu și zero digitale. Un comparator decide care este tensiunea mai mare, semnalul analogic de intrare sau tensiunea stocată pe condensator. Această decizie, sub forma unui unu sau zero digital, se aplică la intrarea latch-ului. La fiecare impuls de ceas, de obicei la câteva sute de kilohertzi, latch-ul transferă orice stare digitală apare pe intrare, la ieșirea sa. Acest dispozitiv de blocare asigură faptul că ieșirea este sincronizată cu ceasul, definind astfel rata de eșantionare, adică rata la care ieșirea de 1 bit se poate actualiza singură.

Figura 3-16

Diagrama bloc a unui circuit de modulare delta.

Tensiunea de intrare este comparată cu tensiunea stocată pe condensator, rezultând un zero sau unu digital aplicat la intrarea Latch (bistabil). Ieșirea din latch este actualizată sincron cu ceasul, și utilizată într-o buclă de feedback pentru a determina tensiunea pe condensator să urmărească tensiunea de intrare.

O buclă de feedback este formată prin preluarea ieșirii digitale și folosirea acesteia pentru a comanda un comutator electronic. Dacă ieșirea este unu digital, comutatorul conectează condensatorul la un injector de sarcină pozitivă. Acesta este un termen foarte slab pentru un circuit care mărește tensiunea pe condensator cu o valoare fixă, de exemplu 1 milivolt pe ciclu de ceas. Acest lucru nu poate fi altceva decât un rezistor conectat la o tensiune pozitivă mare. Dacă ieșirea este zero, comutatorul este conectat la un injector de sarcină negativă. Acesta scade tensiunea pe condensator cu aceeași valoare fixă.

Figura 3-17 ilustrează semnalele produse de acest circuit.La timp egal cu zero, intrarea analogică și tensiunea de pe condensator încep cu o tensiune zero. După cum se arată în (a), semnalul de intrare crește brusc la 9,5 volți în cel de-al optulea ciclu de ceas. Deoarece semnalul de intrare este acum mai pozitiv decât tensiunea pe condensator, ieșirea digitală se modifică la un unu, așa cum se arată în (b). Acest lucru duce la conectarea comutatorului la injectorul cu sarcină pozitivă și tensiunea pe condensator crește cu o cantitate mică pe fiecare ciclu de ceas. Deși o creștere de 1 volt pe ciclu de ceas este prezentată în (a), aceasta este doar pentru ilustrare, iar o valoare de 1 milivolt este mai tipică. Această creștere în scară a tensiunii condensatorului continuă până ce depășește tensiunea semnalului de intrare. Aici sistemul a ajuns la echilibru cu ieșirea care oscilează între unu și zero digital, determinând tensiunea pe condensator să oscileze între 9 volți și 10 volți. În acest mod, feedback-ul circuitului forțează tensiunea condensatorului pentru a urmări tensiunea semnalului de intrare. Dacă semnalul de intrare se schimbă foarte rapid, tensiunea pe condensator se schimbă cu o viteză constantă până când se obține o egalare. Rata constantă de schimbare este numită slew rate, la fel ca în alte dispozitive electronice, cum ar fi A.O. (amplificatoare operaționale).

Acum,considerați caracteristicile semnalului de ieșire modulat delta. Dacă intrarea analogică crește în valoare, semnalul de ieșire va consta din mai mulți de unu decât zerouri. De asemenea, dacă intrarea analogică scade în valoare, ieșirea va consta din mai multe zerouri decât unu. Dacă intrarea analogică este constantă, ieșirea digitală va alterna între zero și unu cu un număr egal de fiecare. În termeni mai generali, numărul relativ de unu față de zerouri este direct proporțional cu panta (derivată) a intrării analogice.

Acest circuit este o metodă ieftină de transformare a unui semnal analog într-un flux serial de unu și zerouri pentru transmisie sau stocare digitală. O caracteristică deosebit de atractivă este că toți biți au același înțeles, spre deosebire de formatul serial convențional: bit start, LSB,, MSB, bit stop. Circuitul la receptor este identic cu partea de feedback a circuitului de transmisie. Așa cum tensiunea pe condensator din circuitul de transmisie urmează intrarea analogică, la fel face și tensiunea pe condensator din circuitul de recepție. Adică, tensiunea condensatorului prezentat în (a) reprezintă, de asemenea, modul cum va apărea semnalul reconstruit.

O limitare critică a acestui circuit este compromisul inevitabil dintre (1) slew rate maximă, (2) mărimea cuantizării și (3) rata datelor. În special, dacă slew rate maximă și mărimea cuantizării sunt ajustate la valori acceptabile pentru comunicații vocale, rata datelor se termină în intervalul MHz. Este prea mare pentru a avea o valoare comercială. De exemplu, eșantionarea convențională a unui semnal vocal necesită doar aproximativ 64.000 de biți pe secundă.

O soluție la această problemă este prezentată în Fig. 3-18, Continuously Variable Slope Delta (CVSD), o tehnică implementată în familia Motorola MC3518. În această abordare, rata ceasului și mărimea cuantizării sunt setate la ceva acceptabil, de exemplu, 30 kHz și 2000 de nivele. Acest lucru are ca rezultat o slew rate teribilă, pe care o corectați cu circuite suplimentare. În funcționare, un registru de deplasare se uită continuu la ultimii patru biți pe care i-a produs sistemul. Dacă circuitul este într-o condiție limitată de slew rate, ultimii patru biți vor fi toți unu (panta pozitivă) sau toți zero (panta negativă). Un circuit logic detectează această situație și produce un semnal analogic care mărește nivelul de sarcină produs de injectoarele de sarcină. Aceasta crește slew rate prin creșterea mărimii treptelor de tensiune aplicate condensatorului.

Un filtru analogic este plasat de obicei între circuitul logic și injectoarele de sarcină. Aceasta permite dimensiunea treptei să depindă de cât timp circuitul a fost într-o condiție limitată slew. Atâta timp cât circuitul este limitat slew, dimensiunea treptei continuă să devină tot mai mare. Acest lucru este numit adesea un filtru syllabic, deoarece caracteristicile acestuia depind de lungimea medie a silabelor care formează vorbirea. Cu o optimizare adecvată (de la fișa spec. a producătorul de cipuri, nu propria dvs. lucrare), ratele de date de la 16 la 32 kHz produc o vorbire de calitate acceptabilă. Schimbarea în continuare a dimensiunii treptei face ca datele digitale să fie greu de înțeles, dar, din fericire, nu aveți nevoie. La receptor, semnalul analogic este reconstruit prin încorporarea unui filtru syllabic identic cu cel din circuitul de transmisie. Dacă cele două filtre sunt potrivite, rezultă mici distorsiuni din modularea CVSD. CVSD este probabil cel mai simplu mod de transmitere digitală a unui semnal vocal.

Figura 3.17 Exemplu de semnale produse de modulatorul delta în fig. 3-16

Figura (a) prezintă semnalul de intrare analogic și tensiunea corespunzătoare pe condensator. Figura (b) prezintă ieșirea modulată delta, un șir digital de unu și zero.

În timp ce modularea CVSD este excelentă pentru codarea semnalelor vocale, nu poate fi utilizată pentru conversia analogic-digitală în scopuri generale. Chiar dacă înțelegeți faptul că datele digitale sunt legate de derivata semnalului de intrare, schimbarea dimensiunii treptei va confunda lucrurile dincolo de restabilire. În plus, nivelul DC al semnalului analogic nu este, de obicei, captat în datele digitale.

Convertorul delta-sigma, prezentat în Fig. 3-19, elimină aceste probleme prin combinarea ingenioasă a electronicii analogice cu algoritmi DSP. Observați că tensiunea pe condensator este acum comparată cu potențialul masei. Bucla de feedback a fost, de asemenea, modificată astfel încât tensiunea pe condensator descrește când ieșirea circuitului este un unu digital și crește când ea este un zero digital. Pe măsură ce semnalul de intrare crește și scade în tensiune, el încearcă să ridice și să coboare tensiunea pe condensator. Această schimbare în tensiune este detectată de către comparator, rezultând că injectoarele de sarcină produc o sarcină de contracarare pentru a menține condensatorul la zero volți.

Figura 3-18 Diagrama bloc de modulare CVSD

Un circuit logic este adăugat la modulatorul delta de bază pentru a îmbunătăți slew rate.

Dacă tensiunea de intrare este pozitivă, ieșirea digitală va fi compusă din mai mulți de unu decât zerouri. Numărul în exces de unu este necesar pentru generarea sarcinii negative care anulează semnalul de intrare pozitiv. De asemenea, dacă tensiunea de intrare este negativă, ieșirea digitală va fi compusă din mai multe zerouri decât unu, realizând o injecție de sarcină pozitivă. Dacă semnalul de intrare este egal cu zero volți, la ieșire se va genera un număr egal de unu și zerouri, oferind o injecție totală de sarcină de zero.

Numărul relativ de unu și zerouri în ieșire este acum legat de nivelul tensiunii de intrare, nu de pantă ca în circuitul precedent. Acest lucru este mult mai simplu. De exemplu, ați putea forma un ADC de 12 biți trimițând ieșirea digitală într-un contor și numărând numărul de unu pe 4096 cicluri de ceas. Un număr digital de 4095 ar corespunde tensiunii de intrare pozitive maxime. De asemenea, numărul digital 0 ar corespunde tensiunii de intrare negative maxime și 2048 ar corespunde unei tensiuni de intrare zero. Acest lucru arată și originea numelui, delta-sigma: modularea delta urmată de însumare (sigma).

Unu și zerourile produse de acest tip de modulator delta sunt foarte ușor de transformat înapoi într-un semnal analogic. Tot ce este necesar este un filtru analogic trece-jos, care ar putea fi la fel de simplu ca o singură rețea RC. Tensiunile high și low corespunzătoare la unu și zero digitale mediază pentru a forma tensiunea analogică corectă. De exemplu, să presupunem că unu și zerourile sunt reprezentate de 5 volți și respectiv 0 volți. Dacă 80% din biții din fluxul de date sunt unu și 20% sunt zero, ieșirea filtrului trece-jos va fi de 4 volți.

Figura 3-19 Diagrama bloc a unui convertor analogic-digital delta-sigma.

În cel mai simplu caz, impulsurile de la un modulator delta sunt numărate pentru un număr predeterminat de cicluri de ceas (tact). Ieșirea contorului este apoi blocată pentru a completa conversia. Într-un circuit mai sofisticat, impulsurile sunt trecute printr-un filtru digital trece-jos și apoi reeșantionate (decimate) la o rată de eșantionare mai mică.

Această metodă de transformare a fluxului de date cu un singur bit înapoi în forma de undă originală este importantă din mai multe motive. În primul rând, descrie o modalitate șmecheră pentru a înlocui contorul în circuitul ADC delta-sigma. În loc să numărăm pur și simplu impulsurile de la modulatorul delta, semnalul binar este trecut printr-un filtru digital trece-jos și apoi decimat pentru a reduce rata de eșantionare. De exemplu, această procedură ar putea începe prin schimbarea fiecărui unu și a zerouri din fluxul digital într-un eșantion de 12 biți; unu devine o valoare de 4095, în timp ce zero devin o valoare 0. Folosirea unui filtru digital trece-jos pe acest semnal produce o versiune digitizată a formei de undă originale, la fel cum un filtru analogic trece-jos ar forma o recreere analogică. Decimarea reduce apoi rata de eșantionare prin eliminarea majorității eșantioanelor. Acest lucru are ca rezultat un semnal digital echivalent cu eșantionarea directă a formei de undă originale.

Această abordare este utilizată în multe ADC-uri comerciale pentru digitizarea semnalelor vocale și a altor semnale audio. Un exemplu este National Semiconductor ADC16071, care oferă conversie analogic-digitală de 16 biți la rate de eșantionare de până la 192 kHz. La o rată de eșantionare de 100 kHz, modulatorul delta funcționează cu o frecvență de ceas de 6,4 MHz. Filtrul digital trece-jos este un FIR de 246 de puncte, așa cum este descris în capitolul 16. Aceasta elimină toate frecvențele din datele digitale de peste 50 kHz,? din eventuala rată de eșantionare. Conceptual, acest lucru poate fi privit ca formând un semnal digital la 6,4 MHz, fiecare eșantion fiind reprezentat de 16 biți. Semnalul este apoi decimat de la 6,4 MHz la 100 kHz, realizat prin ștergerea a fiecare 63 din 64 de eșantioane. În funcționarea reală, în interiorul acestui dispozitiv se petrec mult mai multe decât este descris în această simplă discuție.

Convertoarele Delta-sigma pot fi folosite și pentru conversia digital-analogică a semnalelor vocale și audio. Semnalul digital este preluat din memorie și transformat într-un flux modulat delta de unu și zerouri. După cum s-a menționat mai sus, acest semnal de un bit poate fi schimbat cu ușurință în semnal analogic reconstruit cu un simplu filtru analogic trece-jos. Ca și în cazul filtrului antialias, de obicei, este necesară doar o singură rețea RC. Acest lucru se datorează faptului că majoritatea filtrării este gestionată de filtrele digitale de înaltă performanță.

ADC-urile Delta-sigma au câteva ciudățenii care le limitează utilizarea la aplicații specifice. De exemplu, este dificil să le multiplexezi intrările. Atunci când intrarea este comutată de la un semnal la altul, funcționarea corectă nu este stabilită până când filtrul digital nu se poate șterge de datele din semnalul anterior. Convertoarele Delta-sigma sunt limitate și într-un alt aspect: nu știți exact când a fost luat fiecare eșantion. Fiecare eșantion achiziționat este un composite a informației de un bit preluată pe un segment al semnalului de intrare. Aceasta nu este o problemă pentru semnalele codificate în domeniul frecvență, cum ar fi audio, dar este o limitare semnificativă pentru semnalele codate pe domeniul timp. Pentru a înțelege modelul formei de undă a unui semnal, trebuie adesea să știi exact momentul în care a fost prelevat fiecare eșantion. În cele din urmă, majoritatea acestor dispozitive sunt concepute special pentru aplicații audio, iar specificațiile lor de performanță sunt cotate în mod corespunzător. De exemplu, un ADC de 16 biți folosit pentru semnale vocale nu înseamnă neapărat că fiecare eșantion are 16 biți de precizie. Mult mai probabil, producătorul afirmă că semnalele vocale pot fi digitizate la 16 biți din intervalul dinamic. Nu te aștepta să obții un total de 16 biți de informație utilă de la acest dispozitiv pentru achiziția de date cu scop general.

În timp ce aceste explicații și exemple oferă o introducere a ADC-urilor și a DAC-urilor cu un singur bit, trebuie subliniat faptul că acestea sunt descrieri simplificate ale tehnologiei DSP sofisticate și a circuitelor integrate. Nu v-ați aștepta ca producătorul să spună concurenților toate lucrările interne ale cipurilor lor, așa că nu vă așteptați să vă spună.