АЦП последовательного приближения
Преобразователь этого типа, который в литереатури также называют АЦП с поразрядным уравновешивания, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.
В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, то есть последовательного сравнения измеряемой величины с 1 / 2, 1 / 4, 1 / <> 8 и т.д. от возможного максимального ее значение. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2 N -1 при использовании последовательного отсчета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N = 10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 10 5 ... 10 6 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown).
Рис.9 Структурная схема и временные диаграммы АЦП последовательного приближения
Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рис. 9а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПН) и ЦАП.
После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПН принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 1000 2 = 8 10). Благодаря этому напряжение U ос на выходе ЦАП (рис. 9б)
U ос = 2 3 h.
где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ОМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d 3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток
U вх - d 3 2 3 h
таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных шагов, выравнивают, в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, с которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ОМР. Исходное число может быть считана с РПН в виде параллельного двоичного кода по N линиях. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рис. 9б, формируется исходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.
Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления t уст ЦАП к устойчивому значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ОМР, времени переключения компаратора t к и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t с. Сумм
а t до + t с является величиной постоянной, а t уст уменьшается с уменьшением веса разряда. Так что для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации f такт возможно уменьшение времени преобразования t ин на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.
При работе без устройства выборки-хранения апертурный время равен времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как в АЦП последовательного отсчета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурной погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразованного сигнала следует включать ПВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения, или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим сохранения только на время преобразования сигнала.
Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.
