14) АЦП последовательного приближения.
Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения. Эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.
При измерении каких-либо объектов мы обычно последовательно увеличиваем точность измерения. Например, при измерении длины мы сначала определяем ее в метрах, затем добавляем к полученному значению остающиеся десятки сантиметров, потом остаток в сантиметрах и т.д. То есть при каждом последующем измерении точность увеличивается на один десятичный разряд. Подобным образом можно проводить измерения и в двоичной системе счисления. В этом случае каждый раз точность измерения будет возрастать ровно в два раза. Подобный процесс измерения напряжения иллюстрируется рисунком 1.
Работа АЦП данного типа основана на алгоритме половинного деления или дихотомии.
АЦП последовательных приближений состоит из одного компаратора, на один вход которого подается входное напряжение, а на другой - сигнал от ЦАП. Схема на двух регистрах - сдвига и выходного и логических элементах служит для управления ЦАП - выработки последовательности кодов, приближений окончательного значения преобразования.
Временные диаграммы
Первое приближение равно половине максимального значения, далее выясняется больше входное напряжение этого значения или меньше, в следующем цикле интервал в котором находится входное напряжение делится еще пополам и т.д. Каждый цикл приближения дает один правильный двоичный разряд результата, начиная со старшего.
Достоинства и недостатки
Данный способ построения АЦП имеет по сравнению с интегрирующими и параллельными АЦП среднее быстродействие - типичное значение времени преобразования - 1...10 мкс, и среднюю точность - 10...14 двоичных разрядов. К недостаткам данного метода относится большая чувствительность к импульсным помехам, к достоинствам - хорошее согласование по времени измерения с типичными микропроцессорными системами, невысокая стоимость и сложность.
Программная реализация
В АЦП данного типа возможна программная реализация блока управления ЦАП. Мало того, программная реализация дает возможность за счет использования более сложных алгоритмов выработки пробных значений напряжения улучшить параметры (точность и быстродействие) АЦП данного типа.
Например -
Использование начальных предположений о значении сигнала позволяет снизить количество циклов преобразования. Метод используется в следящих АЦП.
Исключение систематической погрешности за счет неточности работы ЦАП с использованием таблицы перекодировки и т.д.
Рисунок 1. Временные диаграммы напряжений на входах компаратора АЦП последовательного приближения.
При измерении неизвестного расстояния оно сравнивается с эталоном длины — линейкой. Но где же взять эталонные напряжения? Для этого можно воспользоваться цифро-аналоговым преобразователем. Если на его вход подавать цифровые коды, то на его выходе будут появляться напряжения, соответствующие этим цифровым кодам. Для формирования необходимых для измерения цифровых кодов служит специальная схема, называемая регистром последовательного приближения.
Для сравнения неизвестного напряжения, поступающего с выхода устройства выборки и хранения, с эталонными напряжениями, поступающими с выхода цифро-аналогового преобразователя, воспользуемся уже известным нам аналоговым компаратором. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения приведена на рисунке 2.
Рисунок 2.5. Структурная схема АЦП последовательного приближения.
В первый момент времени после поступления первого тактового импульса на выходе регистра последовательного приближения формируется код половины полной шкалы преобразователя. Этот код соответствует двоичному числу 01111111. При подаче этого кода на входы цифро-аналогового преобразователя на его выходе появится напряжение, соответствующее половине полной шкалы входных напряжений (или, что то же самое, половине опорного напряжения Uоп, подаваемого на соответствующий вход цифро-аналогового преобразователя).
При поступлении следующих тактовых импульсов этот код будет сдвигаться вправо, обеспечивая тем самым уменьшение веса разрядов ровно вдвое. Таким образом, если после первого тактового импульса на выходе цифро-аналогового преобразователя присутствует половина полной шкалы, то после второго тактового импульса там будет присутствовать четверть, затем одна восьмая часть полной шкалы, и так далее.