Программируемые аналоговые компоненты. Аналоговые матрицы, АЦП и ЦАП

Время чтения: 10 минут

Analog Switch Matrix, ASM — устройство или микросхема, позволяющая программно соединять аналоговые входы и выходы. Принцип работы напоминает мультиплексор, но возможности матрицы значительно шире. Обычный мультиплексор выбирает один из нескольких входных сигналов и подключает его к общему выходу. Коммутационная матрица позволяет одновременно создать множество независимых соединений между различными входами и выходами.

Если несколько упростить, ASM можно представить как аналоговый вариант коммутационной ПЛИС. Однако в отличие от FPAA она не создаёт произвольную аналоговую схему, а только формирует необходимые соединения между существующими узлами.

Сам принцип коммутационной матрицы появился задолго до интегральной электроники. До 1960-х годов использовались контактно-механические системы, построенные преимущественно на электромагнитных реле. Они применялись в телефонных коммутаторах, измерительных стендах и специализированной аппаратуре.

У релейной коммутации было важное преимущество — хорошая электрическая изоляция управляющих и сигнальных цепей. Но недостатков оказалось значительно больше: большие размеры, механический износ, ограниченный ресурс и невысокая скорость переключения.

В 1960–1970-х годах появились управляемые релейные матрицы. Их использовали в автоматических телефонных станциях, автоматизированных испытательных системах и измерительных комплексах. Управление становилось более совершенным, но механическая природа реле по-прежнему ограничивала быстродействие.

Ситуацию изменило массовое распространение CMOS-технологии.

Появились интегральные аналоговые ключи, среди которых известными представителями стали CD4066 и DG201. Отсутствие механических контактов позволило значительно повысить скорость переключения и уменьшить размеры коммутационных устройств.

В 1980-х годах начали появляться интегральные коммутационные матрицы. Следующим этапом стали перекрёстные матрицы — crosspoint matrix.

Такая структура состоит из набора строк и столбцов, а каждая точка их пересечения представляет собой управляемый электронный ключ. Его можно замкнуть или разомкнуть независимо от остальных, создавая необходимую конфигурацию соединений.

Это позволяет одной микросхеме заменить большое количество отдельных аналоговых ключей и мультиплексоров.

В 1990-х развитие телекоммуникационного оборудования и автоматизированной измерительной техники увеличило спрос к приборам. Появились специализированные серии аналоговых матриц, росло количество каналов, а для управления стали применять цифровые интерфейсы SPI, I²C и другие.

Так коммутация аналоговых сигналов стала программируемой: контроллеру больше не требовалось непосредственно управлять множеством отдельных ключей. Достаточно было передать матрице нужную конфигурацию соединений.

В 2000-х совершенствование CMOS-технологии позволило уменьшить сопротивление открытого канала и токи утечки, одновременно увеличив рабочую полосу частот.

Коммутационные матрицы стали применяться в медицинской электронике, автоматизированных испытательных комплексах, промышленном оборудовании и системах обработки видео- и радиосигналов.

В 2010-х появились высокочастотные матрицы, способные работать с сигналами в диапазоне десятков гигагерц. Такие устройства востребованы в беспроводной связи, включая Wi-Fi, LTE и 5G, а также в спутниковых и радиочастотных системах.

Сегодня аналоговые матрицы могут входить в состав сложных микросхем смешанных сигналов и SDR-приёмопередатчиков. Пользователь уже может даже не видеть отдельного коммутационного элемента — маршрутизация сигналов выполняется внутри высокоинтегрированной системы.

При разработке и ремонте таких устройств важно понимать, какой сигнал присутствует на конкретном участке тракта и куда он поступает после переключения. Для наблюдения сигналов во временной области используются осциллографы, а при работе с радиочастотными трактами — анализаторы спектра.

Если коммутационная матрица отвечает за направление сигнала, то АЦП и ЦАП решают другую фундаментальную задачу — связывают аналоговую и цифровую части электронной системы.

АЦП преобразует «аналог» в «цифру», а оцифрованные данные уже могут обрабатываться микроконтроллером, процессором, ПЛИС или другим вычислительным устройством. ЦАП выполняет обратную операцию: преобразует цифровое значение в аналоговый электрический сигнал.

Программируемые АЦП и ЦАП позволяют изменять параметры преобразования. В зависимости от конкретной микросхемы программно могут настраиваться разрешение, частота дискретизации, диапазон входного или выходного сигнала, усиление, фильтрация, опорное напряжение, количество используемых каналов и другие характеристики.

Именно поэтому современные АЦП и ЦАП являются одним из важнейших классов компонентов смешанных сигналов.

До массового распространения АЦП и ЦАП измерительные и управляющие системы использовали преимущественно аналоговые и электромеханические решения.

Применялись стрелочные электромагнитные приборы, мостовые схемы, аналоговые самописцы и различные сервосистемы. Они могли измерять или регистрировать физические величины, но напрямую передать результат вычислительной машине было сложно.

По мере развития цифровой вычислительной техники возникла необходимость связать два мира: непрерывные физические величины и дискретные цифровые данные.

В 1950–1970-х годах возникли первые преобразователи. ЦАП строились на резистивных матрицах, а для АЦП применялись схемы с компараторами и другими аналоговыми компонентами. Первые устройства были крупными, дорогими и обладали сравнительно невысоким быстродействием.

Развитие микроэлектроники в 1970–1980-х позволило создавать интегральные преобразователи с характеристиками, достаточными уже не только для исследовательских установок.

АЦП и ЦАП начали массово применяться в измерительном оборудовании, автоматизированных системах управления и телекоммуникационной аппаратуре.

Сегодня АЦП можно встретить даже в обычном цифровом мультиметре. Входное напряжение внутри прибора преобразуется в цифровое значение, после чего электроника выполняет необходимые вычисления и выводит результат на дисплей.

Но ранние интегральные преобразователи всё ещё были устройствами с преимущественно фиксированными характеристиками.

На рубеже 1980–1990-х годов стали распространяться АЦП и ЦАП с программным управлением.

Появилась возможность настраивать усиление, смещение, частоту дискретизации и опорное напряжение. Один преобразователь мог адаптироваться к различным диапазонам и типам входных сигналов без существенного изменения внешней схемы.

Особенно востребованным такой подход оказался в телекоммуникационном и измерительном оборудовании.

Рост требований к производительности постепенно привёл к тому, что одного преобразования стало недостаточно. В преобразователи начали добавлять цифровую фильтрацию, коррекцию ошибок и средства программной калибровки.

В результате граница между собственно преобразователем и системой цифровой обработки сигнала начала размываться.

Развитие цифровых осциллографов, SDR и телекоммуникационного оборудования потребовало значительно повысить скорость преобразования.

Для цифрового осциллографа АЦП является одним из ключевых элементов входного тракта. После усиления, ослабления и фильтрации входной аналоговый сигнал поступает на преобразователь, который с определённой частотой выполняет его выборки. Полученный поток данных сохраняется в памяти и обрабатывается цифровой частью прибора.

Чем выше частота исследуемого сигнала, тем более серьёзные требования к быстродействию преобразователя и остальной части тракта.

Современные высокоскоростные преобразователи способны выполнять миллиарды выборок в секунду. Для наиболее производительных решений скорости свыше 10 Гвыб/с — не предел.

В 2010-х годах появились преобразователи, которые содержали не только АЦП или ЦАП, но и дополнительные функциональные блоки.

Внутри одной микросхемы могут находиться высокоскоростной мультиплексор, цифровые фильтры, средства калибровки, сигнальный процессор и управляющая логика. Преобразователь способен самостоятельно выполнять часть обработки данных и корректировать некоторые параметры своей работы.

В высокоинтегрированных системах АЦП и ЦАП всё чаще становятся частью полного сигнального тракта.

Особенно хорошо эта тенденция заметна в SDR. Входной радиосигнал проходит через аналоговую часть, оцифровывается, после чего основная обработка выполняется цифровыми средствами. При передаче происходит обратный процесс: цифровые данные преобразуются ЦАП в аналоговый сигнал, который затем проходит через выходной радиочастотный тракт.

Таким образом, современный АЦП или ЦАП — это уже далеко не всегда обычный преобразователь между двумя представлениями сигнала. Он может быть частью сложной программируемой системы обработки данных.