double arrow

АЦП последовательного приближения

Классификация АЦП по методу кодирования. Структуры и принцип действия основных типов АЦП напряжения. Основные параметры и характеристики современных интегральных АЦП.

Диапазон требований к АЦП настолько широк, что его невозможно удовлетворить одним схемным решением. Существует несколько базовых архитектур АЦП, хотя в каждой архитектуре есть много разновидностей. Каждая архитектура закрывает некоторую часть потребностей техники в аналого-цифровом преобразовании сигналов. Например, АЦП для цифровых осциллографов должен обеспечивать очень высокую частоту преобразования, хотя без особо высокого разрешения. Некоторые устройства ввода информации в ЭВМ и тестовое оборудование базируются на конвейерных АЦП, которые обеспечивают лучшее разрешение, чем АЦП считывания, но за счет снижения частоты преобразования.

Рис.3.1

Для систем сбора и обработки информации общего назначения требуются АЦП, характеристики точности и быстродействия которых лежат между цифровыми осциллографами и цифровыми мультиметрами. В них используются АЦП последовательного приближения и сигма-дельта АЦП. Цифровые мультиметры не требуют от АЦП высокого быстродействия, однако разрешение здесь должно быть максимальным.

На рис.3.1 показана характеристики основных типов АЦП в координатах скорость преобразования/разрешение [Д8].

3.1 АЦП считывания [Д11]

АЦП считывания, называемые также параллельными или flash, реализуют самый быстрый способ преобразования напряжения в код. Они удобны для обработки сигналов в широкой полосе частот. Однако такие АЦП потребляют массу энергии, имеют относительно невысокое разрешение и могут быть довольно дорогими. Это ограничивает их применение теми областями, где задача не может быть решена другими способами.

Особенности архитектуры

На рис. 3.1.1 приведена блок-схема типичного АЦП считывания. В состав преобразователя входят 2n-1 компараторов и делитель напряжения, образованный 2n резисторами, где n – разрядность АЦП. Делитель формирует линейку опорных напряжений, подаваемых на компараторы. Опорные напряжения в линейке формируются с шагом, соответствующим LSB (least significant bit – младший значащий разряд), и напряжение, подаваемое на опорный вход некоторого компаратора, на 1 LSB больше, чем на входе соседнего компаратора, включенного ниже.

Напряжение, соответствующее LSB, определяется отношением опорного напряжения UREF к числу 2n делений шкалы.

Каждый компаратор вырабатывает «1», когда входное напряжение АЦП больше напряжения, поданного на опорный вход данного компаратора. В противном случае компаратор вырабатывает «0». Таким образом, если входное напряжение АЦП находится между Vx4 и Vx5, компараторы с первого по четвертый вырабатывают на выходе значение «1», на выходе остальных компараторов выставляется «0». Код на выходе линейки компараторов подобен показаниям ртутного термометра, вместо столбика ртути здесь фигурируют «1» на выходах компараторов. Выходной код компараторов затем преобразуется декодером в соответствующий цифровой выходной код.

Используемые компараторы должны иметь широкую полосу для обеспечения быстродействия АЦП, а также малое напряжение сдвига нуля (меньшее LSB).

Скорость изменения входного сигнала ограничивается быстродействием компараторов – сигнал не должен изменяться более, чем на один LSB за время срабатывания компаратора. В противном случае одновременно будет происходить переключение нескольких соседних компараторов и возможно возникновение значительных ошибок. Для исключения влияния разброса быстродействия компараторов на сигнальный вход АЦП ставят устройство выборки/хранения и тактируют работу этого устройства и считывание с выходов компараторов, давая последним необходимое время для установления выходных сигналов.

Рис.3.1.1

Достоинства и недостатки архитектуры

В сравнении с АЦП других типов АЦП считывания имеют следующие достоинства и недостатки.

Время преобразования не зависит от числа разрядов, в то время как у АЦП последовательного приближения или конвейерных время преобразования линейно зависит от разрешения, а у интегрирующих АЦП оно удваивается на каждый бит увеличения выходного кода (Рис.3.1.2а).

Требования к согласованию элементов у АЦП считывания как и у АЦП последовательного приближения или конвейерных удваиваются на каждый бит увеличения разрешения. При современном уровне полупроводниковой технологии разрядность АЦП считывания ограничена 8 битами, однако она может быть повышена за счет калибровки и подгонки элементов. В этом отношении преимущества имеют интегрирующие АЦП, у которых требования к согласованию элементов не возрастают с ростом разрядности. (Рис.3.1.2b).

Рис.3.1.2

Размеры кристалла, стоимость и энергопотребление АЦП считывания почти удваиваются при каждом бите увеличения разрешения. Это происходит в результате увеличения числа компараторов и резисторов. Размеры чипа у АЦП последовательного приближения, сигма-дельта или конвейерных увеличиваются линейно в зависимости от разрешения, а у интегрирующих АЦП размеры кристалла практически не возрастают с ростом разрядности. (Рис.3.1.2с).

Сравнение считывающих АЦП с другими типами архитектур АЦП

В АЦП последовательного приближения биты выходного кода определяются единственным компаратором по очереди в направлении от старшего бита (MSB) к младшему (LSB) по результатам сравнения входного напряжения с выходом цифроаналогового преобразователя, чей выход предварительно устанавливается в положение, соответствующее состоянию уже определенных старших битов. Таким образом, выходной код последовательно приближается к соответствию с входным напряжением. Последовательный принцип действия ограничивает быстродействие АЦП последовательного приближения величиной в несколько миллионов преобразований в секунду (mega-sample per second - Msps), в то время как быстродействие считывающих АЦП достигло миллиардов (giga-sample per second - Gsps)

АЦП последовательного приближения имеют разрешение до 16-18 бит. Разрешение АЦП считывание находится в области 8 бит. Меньшая скорость определяет меньшее энергопотребление АЦП последовательного приближения. Например, потребление АЦП последовательного приближения МАХ1106 (8 разрядов) при частоте преобразования 25 ksps не превышает 0,33 мВт, в то время как АЦП считывания МАХ104 потребляет 5,25 Вт при аналогичной разрядности, но обеспечивает при этом в 40000 раз большее быстродействие.

АЦП последовательного приближения относительно недороги. Например, МАХ1106 продается по цене $1,51 за штуку, в то время как АЦП считывания МАХ104 стоит $398.

АЦП считывания имеют большие габариты. Это обусловлено не только бóльшим размером чипа, но и необходимостью рассеяния большей энергии. Размеры корпуса МАХ104 в 50 раз больше, чем у МАХ1106.


Сейчас читают про: