АЦП последовательного приближения

Среди АЦП последовательного действия, являющихся наиболее медленными преобразователями, АЦП последовательного приближения является наиболее распространенным преобразователем. Часто его называют также АЦП поразрядного уравновешивания.

В основу работы этого класса АЦП лежит алгоритм, который позволяет последовательно сравнивать входной сигнал с 1/2^N его полной шкалы, где N – номер шага сравнения. Таким образом, на первом шаге входной сигнал сравнивается с половиной его максимального сигнала, результат сравнения поступает на выход, на втором шаге входной сигнал сравнивается с четвертью максимального сигнала. При этом количество шагов равно разрядности АЦП, что дает большой выигрыш в быстродействии.

Схема АЦП последовательного приближения и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 29.8.

АЦП состоит из трех основных узлов: компаратора, ЦАП и регистра последовательного приближения. После подачи команды «Пуск» устройство выборки-хранения УВХ устанавливается в режим хранения и все разряды регистра последовательного приближения РПП сбрасываются в «0», кроме старшего значащего разряда, который устанавливается в «1». Выходной сигнал РПП подается на внутренний ЦАП. Если выходной сигнал ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае он остается установленным. Затем следующий старший значащий разряд устанавливается в «1». Если сигнал на выходе ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае бит остается установленным. Описанный процесс поочередно повторяется для каждого разряда. Когда все разряды, в соответствии с входным сигналом, будут установлены в «0» или в «1», содержимое РПП придет в соответствие со значением входного сигнала и преобразование завершится. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода. Если рассматриваемый АЦП имеет выход в виде последовательного порта, то последовательно поступаемые биты можно непосредственно передавать на выход.

а)

б)

Рис.29.8. АЦП последовательного приближения (а) и его временные диаграммы (б)

Точность АЦП последовательного приближения определяется стабильностью источника опорного напряжения, точностью компаратора и, в наибольшей степени, точностью и линейностью внутреннего ЦАП. До недавнего времени большинство прецизионных АЦП поразрядного уравновешивания для достижения желательной точности использовались тонкопленочные резисторы с лазерной подгонкой, которая достаточно дорога. По этой причине в современных АЦП стали применять ЦАП с коммутируемыми конденсаторами. Преимущество таких ЦАП состоит в том, что их точность и линейность определяются, прежде всего, качеством фотолитографии, которое, в свою очередь, зависит от площади конденсаторных пластин.

Недостатком последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Она обусловлена тем, что мгновенная выборка входного сигнала, сохраняемого в УВХ, обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи.

Будучи весьма популярными, АЦП последовательного приближения поставляются с широкой гаммой разрешающих способностей (8 – 18 бит), частот дискретизации (до 1,5 МПс), опций ввода-вывода, конструктивного исполнения и стоимостных показателей. Многие устройства являются полными системами сбора данных с входными мультиплексорами, которые позволяют одному «ядру» АЦП обрабатывать много аналоговых сигналов.