5.8.   АЦП последовательного приближения

Преобразователь последовательного приближения, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.

В основе работы преобразователей этого класса лежит принцип, подобный взвешиванию товара на рычажных весах с помощью гирь, т. е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального значения ее. Сначала на чашу весов кладётся гиря с наибольшим весом. Если её недостаточно, добавляется более лёгкая гиря. Если при этом вес гирь оказался чрезмерным, то последняя гиря снимается и заменяется более лёгкой и т.д., пока чаши весов не уравновесятся в пределах достижимой точности. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N – 1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N = 10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105…106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц.

Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рис. 5.12, а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

После подачи команды «Пуск» с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 10002 = 810). Благодаря этому напряжение UОС на выходе ЦАП (рис. 5.12, б)

UОС = 23 · h.

где h – квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда.

Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток:

Uвх – d3 23 h

таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д.

После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее UВХ с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора (см. рис. 5.12, б) формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления (tУСТ) ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора (tК) и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения (tЗ). Сумма tК + tЗ является величиной постоянной, а tУСТ уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fТАКТ возможно уменьшение времени преобразования tПР на 40 %. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути, зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать устройство выборки-хранения (УВХ). Большинство выпускаемых в настоящее время интегральных микросхем АЦП последовательного приближения имеет встроенные