АЦП последовательного приближения

Типы и особенностей построения АЦП

АЦП, а точнее, преобразователи напряжения в код, предназначены для сопряжения современных аналоговых систем измерения и обработки информации с цифровыми. Любое преобразование напряжения в код основано либо на сравнении входного напряжения с эталонным (опорным), либо на промежуточном преобразовании напряжения во временной интервал, длительность которого затем преобразуется в цифровой эквивалент путем подсчета числа импульсов, записываемых в счетчик в течение этого интервала времени. На основе метода сравнения аналогового сигнала с эталонным напряжением построены АЦП последовательного приближения и параллельного преобразования. На промежуточном преобразовании во временной интервал основаны преобразователи напряжения в частоту, АЦП с пилообразным напряжением и интегрирующие.

Параллельные АЦП

Наиболее быстродействующей является параллельная архитектура, показанная на следующем рисунке.

Она состоит из линейки компараторов, у каждого из которых опорное напряжение ниже, чем у предыдущего. Входное напряжение подается на все компараторы сразу. На вторые входы компараторов подаются пороговые напряжения с делителя напряжения. Сравнение происходит в момент действия сигнала разрешения «Такт». Далее позиционный код длиной 2 ^N –1 преобразуется в параллельный N -разрядный двоичный код шифратором. Запись параллельного кода в выходной буферный регистр (регистр памяти) разрешается сигналом «Запись» через логические элементы И.

Благодаря параллельной структуре АЦП преобразование занимает очень небольшое время – десятки наносекунд, так что такой АЦП является наиболее быстродействующим. К недостаткам параллельных АЦП относят небольшую разрядность (6...8 разрядов), так как увеличение числа разрядов на 1 требует удвоения числа компараторов; большую потребляемую мощность, определяемую быстродействием логических элементов АЦП (сотни мВт); критичность к точности формирования пороговых напряжений.

АЦП последовательного приближения

Низкочастотные АЦП (с частотой 10...10⁶ выборок в секунду) строятся с использованием архитектуры последовательного приближения либо с использованием сигма-дельта архитектуры. Для таких АЦП характерны большое число разрядов (10...24), высокая точность преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейность – доли единиц младшего разряда шкалы), малая потребляемая мощность (единицы мВт).

Структура АЦП последовательного приближения показана на следующем рисунке.

По команде начала преобразования устройство выборки и хранения (УВХ) берет отсчет входного сигнала, а в регистр последовательного приближения записывается число1000...000, которое подается на вход ЦАП. Компаратор сравнивает напряжение на выходе ЦАП и входное напряжение, и если входное напряжение больше напряжения ЦАП, единица в старшем разряде остается, а в противном случае сбрасывается. После этого устанавливается в 1 следующий разряд (на входе ЦАП 0100...000 или 1100...000) и выходное напряжение ЦАП опять сравнивается со входным напряжением, после чего значение второго слева разряда сохраняется равным 1 или сбрасывается. Такой цикл повторяется для всех разрядов регистра, и когда все они примут определенное значение, АЦП подает сигнал готовности результата преобразования.

АЦП последовательного приближения имеют разрешение до 16 бит, а их скорость может достигать 0,1...1,5 MSPS (миллионов выборок в секунду). Такие АЦП используют в мультиплексированных системах сбора данных, поэтому часто их выполняют с мультиплексором на входе, имеющим от 2 до 8 каналов входных аналоговых сигналов.

Сигма-дельта АЦП

Сигма-дельта АЦП строится с использованием принципов избыточной дискретизации с последующей цифровой фильтрацией и децимацией (уменьшением количества выборок). Алгоритм обработки сигнала в сигма-дельта АЦП выбран так, что значительная часть шумов квантования остается за пределами полосы пропускания цифрового фильтра АЦП, благодаря чему достигается возможность повышения разрядности преобразования. Сложная математическая обработка сигнала в таком АЦП приводит к снижению его скорости до 10...50000 выборок в секунду, но преимуществами сигма-дельта АЦП при этом являются очень высокая разрешающая способность (16-24 разряда), чрезвычайно малая дифференциальная нелинейность, малая потребляемая мощность (милливатты). Другим достоинством таких АЦП является то, что они не требуют УВХ. Сигма-дельта АЦП применяют для обработки сигналов датчиков и аналоговых НЧ сигналов (голосовых частот). Для обработки нескольких аналоговых сигналов их также делают многоканальными, но при этом используется свой АЦП на каждый канал.