Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, в англ. ADC - Analog to Digital Converter) — это тип устройства, которое помогает нам обрабатывать хаотичные данные реального мира с цифровой точки зрения. Чтобы понять реальные данные, такие как температура, влажность, давление, положение, нам нужны датчики, которые измеряют определенные параметры и возвращают нам электрический сигнал в виде напряжения и тока. Поскольку большинство наших устройств в настоящее время являются цифровыми, возникает необходимость преобразовывать эти сигналы в цифровые сигналы. Именно здесь на помощь и приходят АЦП. Хотя существует множество различных типов АЦП, в этой статье мы поговорим об одном из наиболее используемых типов АЦП, который известен как АЦП последовательного приближения (в англ. SAR - successive approximation ADC).

Ранее на нашем сайте мы рассматривали общие принципы работы АЦП и их типы - рекомендуем посмотреть эту статью если вы новичок в этой теме. Также на нашем сайте мы рассматривали использование АЦП в различных микроконтроллерах (платах):

• в микроконтроллерах AVR;
• в микроконтроллерах PIC;
• в плате Arduino;
• в плате Raspberry Pi;
• в Raspberry Pi Pico на MicroPython;
• в плате STM32 Blue Pill.

Что такое АЦП последовательного приближения?

АЦП последовательного приближения является предпочтительным АЦП для недорогих приложений со средним и высоким разрешением. Разрешение АЦП SAR варьируется от 8 до 18 бит, со скоростью выборки до 5 мегавыборок в секунду (Msps). Кроме того, он может быть выполнен в компактном форм-факторе с низким энергопотреблением, поэтому этот тип АЦП используется для портативных приборов с батарейным питанием.

Как следует из названия, этот АЦП применяет алгоритм двоичного поиска для преобразования значений, поэтому внутренняя схема может работать на частоте несколько МГц, но фактическая частота дискретизации намного меньше из-за алгоритма последовательного приближения. Подробнее об этом мы поговорим далее в этой статье.

Работа АЦП последовательного приближения

На рисунке ниже изображена базовая схема АЦП последовательного приближения. Но чтобы лучше понять его принцип работы, мы воспользуемся его 4-битной версией, которая и показана на рисунке.

Как видите, этот АЦП состоит из компаратора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и регистра последовательного приближения вместе со схемой управления. Схема выборки и хранения производит выборку входного сигнала и этот сигнал сравнивается с конкретным выходным сигналом ЦАП.

Теперь предположим, что дискретизированный входной сигнал равен 5,8 В. Опорное напряжение АЦП составляет 10 В. Когда преобразование начинается, регистр последовательного приближения устанавливает старший бит в 1, а все остальные биты в ноль. Это означает, что значение становится 1, 0, 0, 0, что означает, что для опорного напряжения 10 В ЦАП выдаст значение 5 В, что составляет половину опорного напряжения. Теперь это напряжение будет сравниваться с входным напряжением и на основании выходного сигнала компаратора будет изменен выходной сигнал регистра последовательного приближения. Изображение ниже прояснит это более подробно. Кроме того, вы можете просмотреть общую справочную таблицу для получения более подробной информации о ЦАП.

Это означает, что если Vin больше, чем выходной сигнал ЦАП, старший бит останется неизменным, а следующий бит будет установлен для нового сравнения. В противном случае, если входное напряжение меньше значения ЦАП, старший бит будет установлен в ноль, а следующий бит будет установлен в 1 для нового сравнения. Теперь, если вы видите изображение ниже, напряжение ЦАП составляет 5 В, и, поскольку оно меньше входного напряжения, следующий бит перед самым старшим битом будет установлен в единицу, а остальные биты будут установлены в ноль, этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет найдено значение, ближайшее к входному напряжению.

Таким образом АЦП последовательного приближения меняет по одному биту за раз чтобы определить входное напряжение и получить выходное значение. И каким бы ни было значение за четыре итерации, мы получим выходной цифровой код из входного значения. Наконец, ниже показан список всех возможных комбинаций четырехразрядного АЦП последовательного приближения.

Время преобразования, скорость и разрешение АЦП последовательного приближения

Время преобразования

В общем, можно сказать, что для N-разрядного АЦП потребуется N тактов, а это значит, что время преобразования данного АЦП будет равно:

*Tc — сокращение от «Время преобразования».

И в отличие от других АЦП время преобразования данного АЦП не зависит от входного напряжения.

Поскольку мы используем 4-битный АЦП, чтобы избежать эффектов наложения спектров, нам нужно брать выборку после 4 последовательных тактовых импульсов.

Скорость преобразования

Типичная скорость преобразования этого типа АЦП составляет около 2–5 мегавыборок в секунду (MSPS), но немногие из них могут достигать 10 (MSPS). Примером может служить АЦП LTC2378 от Linear Technologies.

Разрешение

Разрешение этого типа АЦП может составлять около 8–16 бит, но некоторые типы могут достигать 20 бит, примером может служить ADS8900B от Analog Devices.

Преимущества и недостатки АЦП последовательного приближения

Этот тип АЦП имеет множество преимуществ перед другими типами. Он обладает высокой точностью и низким энергопотреблением, прост в использовании и имеет малое время задержки. Время задержки — это время начала сбора сигнала и время, когда данные доступны для извлечения из АЦП, обычно это время задержки определяется в секундах. Но также в некоторых таблицах данных этот параметр упоминается как циклы преобразования . В конкретном АЦП, если данные доступны для извлечения в течение одного цикла преобразования, мы можем сказать, что он имеет задержку в один цикл. И если данные доступны после N циклов, мы можем сказать, что они имеют задержку в один цикл преобразования. Основным недостатком АЦП последовательного приближения (SAR) является сложность конструкции и стоимость производства.

Применение SAR ADC

Поскольку это наиболее часто используемый АЦП, он используется во многих приложениях, например, в биомедицинских устройствах, которые можно имплантировать пациенту. Эти типы АЦП используются, поскольку они потребляют очень мало энергии. Кроме того, многие умные часы и датчики используют именно этот тип АЦП.

Подводя итог, можно сказать, что основными преимуществами АЦП этого типа являются низкое энергопотребление, высокое разрешение, малый форм-фактор и точность, что делает его удобным для применения в интегрированных системах. Основным его ограничением может быть низкая частота дискретизации, а компоненты, необходимые для построения данного АЦП, то есть ЦАП и компаратор, оба должны работать очень точно, чтобы получить точный результат аналого-цифрового преобразования.

42 просмотров