В предыдущей части мы остановились на сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения как наиболее часто встречающиеся в измерительной технике. Рассмотрим работу АЦП последовательного приближения (англ. SAR - Successive Approximation Register). Структуру его можно представить так:
В реальной жизни это выглядит приблизительно так, правда сейчас гораздо чаще используются планарные (SMD) корпуса:
В своей иллюстрации мы сознательно для наглядности убрали всю логику в микроконтроллер. Естественно, если это микросхема, то вся логика в неё уже встроена и на выходе сразу получаем цифровой код, а если АЦП в составе микроконтроллера, то тем более "наружу" кроме входа ничего не торчит, но если вдруг кому-то захочется реализовать именно так, как показано, никаких сложностей не возникнет.
На рисунке - ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, самая дорогая и сложная часть схемы, преобразует входящий в него цифровой код в напряжение на выходе. Компаратор - схема сравнения - на выходе у неё высокий логический уровень, если напряжение "+" больше или равно, чем напряжение "-" и логический ноль, если напряжение "-" больше, чем напряжение "+". Тут надо понимать, что "+" и "-" - это знаки арифметических операций, а не полярность напряжения, оба напряжения могут быть положительными (а для большинства компараторов и отрицательными тоже могут быть), важно только какое из них больше.
Схема работы очень проста - мы подбираем такое значение на входе ЦАП, чтобы его напряжение сравнялось со входным (вспомним английское название Successive Approximation Register - регистр подбора до успеха (перевод художественный :) ). Теоретически мы можем просто перебирать все возможные значения по возрастанию до того, как сработает компаратор, но это было бы крайне неэффективно, поэтому мы сначала установим "1" в старшем разряде и посмотрим на компаратор - если входное напряжение ниже половины максимального (которое часто называется "опорным", хотя если занудствовать, то во многих типах АЦП опорное (эталонное) напряжение может и не равняться максимальному), то убираем эту "1" и продолжаем, если меньше, то оставляем "1" и все равно продолжаем. Теперь то же самое делаем со следующим разрядом, только сравниваем теперь с четвертью максимального напряжения (или с тремя четвертями - если изначально напряжение было больше половины опорного). Таким образом мы можем получить результат за N шагов, где N- разрядность нашего АЦП.
Мы видим, что АЦП последовательного приближения - очень простая надежная система, позволяющая получить результат за вменяемое время. Почему же тогда эти АЦП не вытеснили другие типы "медленных" АЦП? Дело в том, что в данном случае у нас есть критический узел - ЦАП. Этот ЦАП должен иметь ту же разрядность (иногда делают на разряд больше, чтобы уменьшить шум), его параметрами, такими как точность и линейность определяются параметры всего АЦП. Конечно ЦАП по своей структуре намного проще (хотя бы из-за однозначности цифро-аналогового преобразования), однако они тоже далеко не идеальны, особенно по мере роста разрядности.
Второй момент связан с тем, что все время преобразования напряжение должно быть постоянным (в идеале колебаться не более, чем на шаг преобразования), шум на входе может приводить к серьезным ошибкам. Из-за этого перед такими АЦП часто ставится устройство выборки-хранения, которое "замораживает" входной сигнал на время преобразования, однако параметры этого устройства напрямую влияют на точность и "шум" преобразователя. Из-за совокупности данных факторов АЦП последовательного приближения редко делаются более чем 18 разрядными, а, как правило, ограничиваются 10-12 разрядами.
Однако гарантированное получение результата за конкретное время и относительно низкая сложность при построении 8-12 разрядных систем сделало такое АЦП основным типом при построении осциллографов, шумомеров, цифровых каналов обработки в спектроанализаторах, в системах контроля и регулирования, в конвеерном варианте они успешно применяются при обработке видеоинформации.
В то же время в тех случаях, когда точность важнее скорости, собственные шумы таких АЦП становятся серьезным недостатком и в мультиметрах (тем более настольных) ставятся АЦП другого типа - сигма-дельта, которые мы рассмотрим в следующей статье.
Ставьте лайки, делайте репосты и не забывайте заземлять!
Подписывайтесь на наш канал!
Всем читателям нашего блога - Скидка в нашем интернет-магазине на люксметры по промокоду ZENPROFIT