АЦП последовательного приближения - Successive-approximation ADC
 | Эта статья включает Список ссылок, связанное чтение или внешняя ссылка, но его источники остаются неясными, потому что в нем отсутствует встроенные цитаты. (Март 2020 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
А АЦП последовательного приближения это тип аналого-цифровой преобразователь который преобразует непрерывный аналог форма волны в дискретный цифровой представление с использованием бинарный поиск через все возможные квантование уровней перед окончательным схождением на цифровом выходе для каждого преобразования.
Блок-схема
Ключ
- ЦАП = цифро-аналоговый преобразователь
- EOC = конец преобразования
- SAR = регистр последовательного приближения
- S / H = цепь выборки и хранения
- VВ = входное напряжение
- VREF = Опорное напряжение
Алгоритм
Последовательное приближение аналого-цифровой преобразователь Схема обычно состоит из четырех главных подсхем:
- А выборка и хранение схема для получения входа Напряжение Vв.
- Аналоговый компаратор напряжения, который сравнивает Vв к выходу внутреннего ЦАП и выводит результат сравнения в метод последовательного приближения регистр (SAR).
- Подсхема регистра последовательного приближения, предназначенная для подачи приближенного цифрового кода Vв к внутреннему ЦАП.
- Внутренний эталонный ЦАП, который для сравнения с Vссылка, поставляет компаратор с аналоговым напряжением, равным выходному цифровому коду SARв.
Регистр последовательного приближения инициализируется так, чтобы старший бит (MSB) равно a цифровой 1. Этот код вводится в ЦАП, который затем выдает аналоговый эквивалент этого цифрового кода (Vссылка/ 2) в схему компаратора для сравнения с дискретным входным напряжением. Если это аналоговое напряжение превышает Vв, то компаратор заставляет SAR сбросить этот бит; в противном случае бит остается равным 1. Затем следующий бит устанавливается в 1, и выполняется тот же тест, продолжая этот бинарный поиск пока не будет проверен каждый бит SAR. Результирующий код представляет собой цифровую аппроксимацию дискретизированного входного напряжения и, наконец, выводится SAR в конце преобразования (EOC).
Математически пусть Vв = xVссылка, так Икс в [-1, 1] - нормированное входное напряжение. Задача - приблизительно оцифровать Икс с точностью до 1/2п. Алгоритм работает следующим образом:
- Начальное приближение Икс0 = 0.
- яое приближение Икся = Икся−1 − s(Икся−1 − Икс)/2я, куда, s(Икс) это сигнум функция (sgn (Икс) = +1 для Икс ≥ 0, −1 для Икс <0). Используя математическую индукцию, следует, что |Иксп − Икс| ≤ 1/2п.
Как показано в приведенном выше алгоритме, АЦП последовательного приближения требует:
- Источник входного напряжения Vв.
- Источник опорного напряжения Vссылка для нормализации ввода.
- ЦАП для преобразования яое приближение Икся к напряжению.
- Компаратор для выполнения функции s(Икся − Икс) путем сравнения напряжения ЦАП с входным напряжением.
- Регистр для хранения выходных данных компаратора и применения Икся−1 − s(Икся−1 − Икс)/2я.
Пример: Десять шагов преобразования аналогового входа в 10-битный цифровой с использованием последовательного приближения показаны здесь для всех напряжений от 5 В до 0 В с итерациями 0,1 В. Так как опорное напряжение 5 В, когда входное напряжение также 5 В, все биты устанавливаются. При снижении напряжения до 4,9 В очищаются только некоторые из младших битов. СЗБ останется набор, пока входной сигнал не равен половине опорного напряжения, 2,5 В.
Двоичные веса, присвоенные каждому биту, начиная со старшего бита, равны 2,5, 1,25, 0,625, 0,3125, 0,15625, 0,078125, 0,0390625, 0,01953125, 0,009765625, 0,0048828125. Все они в сумме дают 4,9951171875, что означает двоичное 1111111111 или один младший бит меньше 5.
Когда аналоговый вход сравнивается с внутренним выходом ЦАП, он эффективно сравнивается с каждым из этих двоичных весов, начиная с 2,5 В и либо сохраняя его, либо очищая в результате. Затем путем прибавления следующего веса к предыдущему результату, повторного сравнения и повторения до тех пор, пока все биты и их веса не будут сравнены с входными данными, находится конечный результат - двоичное число, представляющее аналоговый вход.
Варианты
- Тип счетчика АЦП
- Преобразователь D в A можно легко развернуть, чтобы обеспечить обратное преобразование A в D. Принцип заключается в корректировке входного кода ЦАП до тех пор, пока выходной сигнал ЦАП не окажется в пределах ±1⁄2 LSB на аналоговый вход, который должен быть преобразован в двоично-цифровую форму.
- Серво отслеживающий АЦП
- Это улучшенная версия счетного АЦП. Схема состоит из счетчика, направленного вверх-вниз, с компаратором, контролирующим направление счета. Аналоговый выход ЦАП сравнивается с аналоговым входом. Если входной сигнал больше, чем выходной сигнал ЦАП, выход компаратора становится высоким, и счетчик начинает отсчет. АЦП слежения имеет то преимущество, что он прост. Однако недостатком является время, необходимое для стабилизации, поскольку новое значение преобразования прямо пропорционально скорости, с которой изменяется аналоговый сигнал.
АЦП последовательного приближения с перераспределением заряда
Одна из наиболее распространенных реализаций АЦП последовательного приближения, перераспределение заряда АЦП последовательного приближения, использует масштабирование заряда ЦАП. ЦАП с масштабированием заряда просто состоит из массива индивидуально переключаемых двоично-взвешенных конденсаторов. Количество заряда на каждом конденсаторе в массиве используется для выполнения вышеупомянутого двоичного поиска вместе с компаратором, внутренним для ЦАП, и регистром последовательного приближения.
- Конденсаторная решетка полностью разряжена до напряжения смещения компаратора, VОперационные системы. Этот шаг обеспечивает автоматическую отмену смещения (т.е. напряжение смещения представляет собой не что иное, как мертвый заряд, который не может быть изменен конденсаторами).
- Все конденсаторы в массиве переключаются на входной сигнал. Vв. Конденсаторы теперь имеют заряд, равный их соответствующей емкости, умноженной на входное напряжение минус напряжение смещения на каждом из них.
- Затем конденсаторы переключаются так, что этот заряд подается на вход компаратора, создавая входное напряжение компаратора, равное -Vв.
- Собственно процесс преобразования продолжается. Сначала конденсатор MSB переключается на Vссылка, что соответствует полному диапазону АЦП. Из-за двоичного взвешивания массива конденсатор MSB образует делитель заряда 1: 1 с остальной частью массива. Таким образом, входное напряжение компаратора теперь -Vв + Vссылка/ 2. Впоследствии, если Vв больше, чем Vссылка/ 2, то компаратор выводит цифровую 1 как старший бит, в противном случае он выводит цифровой 0 как старший бит. Каждый конденсатор испытывается одинаковым образом до тех пор, пока входное напряжение компаратора не сойдется с напряжением смещения, или, по крайней мере, как можно ближе к разрешающей способности ЦАП.
Использование с неидеальными аналоговыми схемами
При реализации как аналоговая схема - где значение каждого последующего бита не идеально 2N (например, 1.1, 2.12, 4.05, 8.01 и т. д.) - подход последовательного приближения может не выдать идеальное значение, потому что алгоритм двоичного поиска неправильно удаляет то, что, по его мнению, является половиной значений, которые неизвестный вход не может быть. В зависимости от разницы между фактической и идеальной производительностью максимальная ошибка может легко превысить несколько младших битов, особенно если ошибка между фактической и идеальной 2N становится большим для одного или нескольких битов. Поскольку фактический входной сигнал неизвестен, очень важно, чтобы точность аналоговой схемы, используемой для реализации АЦП последовательного приближения, была очень близка к идеальной.N значения; в противном случае он не может гарантировать поиск наилучшего соответствия.
Смотрите также
Рекомендации
дальнейшее чтение
- Разработка, компоновка и моделирование схем CMOS, 3-е издание; Р. Дж. Бейкер; Wiley-IEEE; 1208 страниц; 2010; ISBN 978-0-470-88132-3
- Справочник по преобразованию данных; Аналоговые устройства; Newnes; 976 страниц; 2004; ISBN 978-0750678414