АЦП последовательного приближения - Successive-approximation ADC
Последовательное приближение АЦП представляет собой тип аналого-цифровой преобразователь , который преобразует непрерывную аналоговую форму сигнала в дискретное цифровое представление , используя двоичный поиск по всем возможному квантованию уровней , прежде чем , наконец , сходящиеся на цифровой выход для каждого преобразования.
Блок-схема
Ключ
- ЦАП = цифро-аналоговый преобразователь
- EOC = конец преобразования
- SAR = регистр последовательного приближения
- S / H = цепь выборки и хранения
- V IN = входное напряжение
- V REF = опорное напряжение
Алгоритм
Схема аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения обычно состоит из четырех основных подсхем:
- Выборки и удержание цепи для получения входного напряжения V в .
- Аналоговый компаратор напряжения, который сравнивает V in с выходом внутреннего ЦАП и выводит результат сравнения в регистр последовательного приближения (SAR).
- Подсхема регистра последовательного приближения, предназначенная для подачи приблизительного цифрового кода V во внутренний ЦАП.
- Внутренний эталонный ЦАП, который, для сравнения с V ref , подает на компаратор аналоговое напряжение, равное выходному цифровому коду SAR в .
Регистр последовательного приближения инициализируется так, чтобы старший бит (MSB) был равен 1 цифре . Этот код подается в ЦАП, который затем передает аналоговый эквивалент этого цифрового кода ( V ref / 2) в схему компаратора. для сравнения с дискретным входным напряжением. Если это аналоговое напряжение превышает V in , то компаратор заставляет SAR сбрасывать этот бит; в противном случае бит остается равным 1. Затем следующий бит устанавливается в 1, и выполняется тот же тест, продолжая этот двоичный поиск до тех пор, пока не будет протестирован каждый бит в SAR. Результирующий код представляет собой цифровую аппроксимацию дискретизированного входного напряжения и, наконец, выводится SAR в конце преобразования (EOC).
Математически пусть V in = xV ref , поэтому x in [-1, 1] - это нормализованное входное напряжение. Задача состоит в том, чтобы приблизительно оцифровать x с точностью до 1/2 n . Алгоритм работает следующим образом:
- Начальное приближение x 0 = 0.
- i- е приближение x i = x i −1 - s ( x i −1 - x ) / 2 i , где s ( x ) - знаковая функция (sign ( x ) = +1 для x ≥ 0, −1 для х <0). Используя математическую индукцию, следует, что | х п - х | ≤ 1/2 п .
Как показано в приведенном выше алгоритме, АЦП последовательного приближения требует:
- Источник входного напряжения V в .
- Источник опорного напряжения V ref для нормализации входа.
- ЦАП для преобразования i- го приближения x i в напряжение.
- Компаратор для выполнения функции s ( x i - x ) путем сравнения напряжения ЦАП с входным напряжением.
- Регистр для хранения выходных данных компаратора и применения x i −1 - s ( x i −1 - x ) / 2 i .
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. Поскольку опорное напряжение равно 5 В, когда входное напряжение также равно 5 В, все биты установлены. При снижении напряжения до 4,9 В очищаются только некоторые из младших битов. MSB будет оставаться установленным до тех пор, пока входное напряжение не станет равным 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 это в сумме дает 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 добавления 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
- Цифро-аналоговый преобразователь можно легко развернуть, чтобы обеспечить обратную функцию аналого-цифрового преобразования. Принцип заключается в корректировке входного кода ЦАП до тех пор, пока выходной сигнал ЦАП не окажется в пределах ± 1 ⁄ 2 младшего разряда от аналогового входа, который должен быть преобразован в двоично-цифровую форму.
- Сервопривод АЦП слежения
- 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, АЦП последовательного приближения с перераспределением зарядов , использует ЦАП с масштабированием заряда . 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 V OS . 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 V in . Конденсаторы теперь имеют заряд, равный их соответствующей емкости, умноженной на входное напряжение за вычетом напряжения смещения на каждом из них.
- Затем конденсаторы переключаются так, что этот заряд подается на вход компаратора, создавая входное напряжение компаратора, равное -V in .
- Собственно процесс конвертации продолжается. Сначала конденсатор MSB переключается на V ref , 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 составляет -V in + V ref / 2. Впоследствии, если V in больше, чем V ref / 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 в виде аналоговой схемы - где значение каждого последующего бита не идеально 2 Н (например, 1,1, 2,12, 4,05, 8,01 и т. Д.) - подход последовательного приближения может не выдать идеальное значение, поскольку алгоритм двоичного поиска неверно удаляет то, что, по его мнению, является половиной значений, которые неизвестный ввод не может быть. В зависимости от разницы между фактической и идеальной производительностью максимальная ошибка может легко превысить несколько младших битов, особенно если ошибка между фактическим и идеальным значением 2 N становится большой 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 идеальным значениям 2 N ; в противном случае он не может гарантировать поиск наилучшего соответствия.
Смотрите также
Рекомендации
дальнейшее чтение
- КМОП схемотехника, компоновка и моделирование, 3-е издание ; Р. Дж. Бейкер; Wiley-IEEE; 1208 страниц; 2010; ISBN 978-0-470-88132-3
- Справочник преобразования данных ; Аналоговые устройства; Newnes; 976 страниц; 2004; ISBN 978-0750678414