- Що таке АЦП з послідовним наближенням?
- Робота послідовного наближення АЦП
- Час перетворення, швидкість та роздільна здатність послідовного наближення АЦП
- Переваги та недоліки послідовного наближення АЦП
- Застосування SAR ADC
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) являє собою тип пристрою, яке допомагає нам обробляти хаотичні дані реального світу в цифровій точці зору. Щоб зрозуміти реальні дані, такі як температура, вологість, тиск, положення, нам потрібні перетворювачі, які вимірюють певні параметри і повертають нам електричний сигнал у вигляді напруги та струму. Оскільки більшість наших пристроїв сьогодні є цифровими, стає необхідним перетворення цих сигналів у цифрові. Саме тут з’являється АЦП, хоча існує багато різних типів АЦП, але в цій статті ми поговоримо про один з найбільш часто використовуваних типів АЦП, який відомий як послідовне наближення АЦП. У першій статті ми говорили про основу АЦП за допомогою Arduino. Ви можете це перевірити, якщо Ви новачок в електроніці та хочете дізнатись більше про АЦП.
Що таке АЦП з послідовним наближенням?
АЦП послідовного наближення є АЦП вибору для недорогих середніх і додатків з високою роздільною здатністю, то дозвіл для SAR АЦП в діапазоні від 8 - 18 біт, з зразка зі швидкістю до 5 мега-вибірок в секунду (ПСМ). Крім того, він може бути побудований у малому форм-факторі з низьким енергоспоживанням, саме тому цей тип АЦП використовується для портативних приладів, що працюють від акумуляторів.
Як випливає з назви, цей АЦП застосовує двійковий алгоритм пошуку для перетворення значень, саме тому внутрішня схема може працювати на декількох МГц, але фактична частота дискретизації набагато менша завдяки алгоритму послідовного наближення. Більше про це ми обговоримо далі в цій статті.
Робота послідовного наближення АЦП
На обкладинці показано основний послідовний наближений ланцюг АЦП. Але щоб трохи краще зрозуміти принцип роботи, ми будемо використовувати його 4-розрядну версію. На зображенні нижче показано саме це.
Як бачите, цей АЦП складається з компаратора, цифро-аналогового перетворювача та послідовного апроксимаційного реєстру разом із схемою управління. Тепер, коли починається нова розмова, схема вибірки та утримання дискретизує вхідний сигнал. І цей сигнал порівнюється з конкретним вихідним сигналом ЦАП.
Тепер, скажімо, дискретизований вхідний сигнал становить 5,8 В. Посилання на АЦП становить 10 В. Коли починається перетворення, регістр послідовного наближення встановлює найбільш значущий біт на 1, а всі інші біти - на нуль. Це означає, що значення стає 1, 0, 0, 0, що означає, що для опорної напруги 10 В ЦАП видасть значення 5 В, що становить половину опорної напруги. Тепер ця напруга буде порівнюватися з вхідною напругою і на основі виходу компаратора, вихід послідовного апроксимаційного регістра буде змінено. Наведене нижче зображення більше пояснить це. Крім того, ви можете переглянути загальну довідкову таблицю, щоб отримати докладнішу інформацію про ЦАП. Раніше ми зробили багато проектів щодо АЦП та ЦАП, ви можете перевірити їх, щоб отримати додаткову інформацію.
Це означає, що якщо Vin більше вихідного сигналу ЦАП, найзначніший біт залишиться таким, яким він є, а наступний біт буде встановлений для нового порівняння. В іншому випадку, якщо вхідна напруга менше значення ЦАП, найбільш значущий біт буде встановлений на нуль, а наступний біт - на 1 для нового порівняння. Тепер, якщо ви бачите зображення нижче, напруга ЦАП дорівнює 5 В, і оскільки воно менше вхідної напруги, наступний біт перед найважливішим бітом встановлюється в одиницю, а інші біти встановлюються в нуль, цей процес триватиме до значення, найближче до вхідної напруги, досягає.
Ось як послідовне наближення АЦП змінюється по 1 біту за раз, щоб визначити вхідну напругу і отримати вихідне значення. І яким би не було значення за чотири ітерації, ми отримаємо вихідний цифровий код із вхідного значення. Нарешті, список усіх можливих комбінацій для чотирибітового послідовного наближення АЦП наведено нижче.
Час перетворення, швидкість та роздільна здатність послідовного наближення АЦП
Час перетворення:
Загалом, можна сказати, що для N бітового АЦП потрібно N тактових циклів, а це означає, що час перетворення цього АЦП стане-
Tc = N x Tclk
* Tc - це скорочення часу перетворення.
І на відміну від інших АЦП, час перетворення цього АЦП не залежить від вхідної напруги.
Оскільки ми використовуємо 4-бітний АЦП, щоб уникнути ефектів згладжування, нам потрібно взяти зразок після 4 послідовних тактових імпульсів.
Швидкість перетворення:
Типова швидкість перетворення цього типу АЦП становить приблизно 2 - 5 мега вибірки в секунду (MSPS), але є мало таких, які можуть досягати до 10 (MSPS). Прикладом може бути LTC2378 від Linear Technologies.
Дозвіл:
Роздільна здатність цього типу АЦП може становити приблизно 8 - 16 біт, але деякі типи можуть досягати 20 біт, прикладом може бути ADS8900B від Analog Devices.
Переваги та недоліки послідовного наближення АЦП
Цей тип АЦП має багато переваг перед іншими. Він має високу точність та низьке енергоспоживання, тоді як простий у використанні та низький час затримки. Час затримки - це час початку збору сигналу та час, коли дані доступні для отримання з АЦП, зазвичай цей час затримки визначається в секундах. Але також деякі таблиці даних посилаються на цей параметр як на цикли перетворення, в конкретному АЦП, якщо дані доступні для отримання протягом одного циклу перетворення, можна сказати, що він має одну затримку циклу розмови. І якщо дані доступні після N циклів, ми можемо сказати, що вони мають одну затримку циклу перетворення. Основним недоліком SAR ADC є його складність конструкції та вартість виробництва.
Застосування SAR ADC
Оскільки це найбільш часто використовуваний АЦП, він використовується для багатьох застосувань, таких як використання в біомедичних пристроях, які можна імплантувати пацієнту, такі типи АЦП використовуються, оскільки вони споживають значно менше енергії. Крім того, багато розумні годинники та датчики використовували цей тип АЦП.
Підсумовуючи, можна сказати, що головними перевагами цього типу АЦП є низьке споживання енергії, висока роздільна здатність, малий форм-фактор та точність. Цей тип персонажа робить його придатним для інтегрованих систем. Основним обмеженням може бути його низька частота дискретизації та деталі, необхідні для побудови цього АЦП, який є ЦАП, і компаратор, і тим, і іншим потрібно працювати дуже точно, щоб отримати точний результат.