АЦП последовательного приближения, принцип их работы по функциональной схеме, достоинства и недостатки.

АЦП последовательного приближения: принцип работы, достоинства и недостатки

АЦП последовательного приближения — это аналого-цифровой преобразователь, который определяет цифровой код входного напряжения методом поразрядного приближения, начиная со старшего разряда.

Такой АЦП часто называют SAR ADC — Successive Approximation Register ADC.

Основные элементы функциональной схемы

В состав АЦП последовательного приближения входят:

• компаратор;

• ЦАП;

• регистр последовательного приближения;

• схема управления;

• тактовый генератор.

Упрощённая схема:

Принцип работы

1. Проверка старшего разряда

В начале преобразования регистр SAR устанавливает старший бит в 1, а остальные — в 0.

Например, для 4-разрядного АЦП:

Этот код поступает на ЦАП.

ЦАП формирует соответствующее напряжение UЦАПU_{ЦАП}.

2. Сравнение напряжений

Компаратор сравнивает:

UвхU_{вх}

и

UЦАПU_{ЦАП}

Если:

Uвх≥UЦАПU_{вх} \ge U_{ЦАП}

то проверяемый бит сохраняется равным 1.

Если:

Uвх<UЦАПU_{вх} < U_{ЦАП}

то этот бит сбрасывается в 0.

3. Проверка следующего разряда

После этого устанавливается следующий по старшинству бит.

Например:

затем:

или:

в зависимости от результата предыдущего сравнения.

Далее снова выполняется сравнение.

Так последовательно проверяются все разряды.

Пример для 4-разрядного АЦП

Допустим, нужно определить входное напряжение.

Сначала проверяется половина диапазона:

Если вход больше — старший бит остаётся 1.

Затем проверяется:

Если это уже слишком большое значение, второй бит сбрасывается:

Далее проверяется следующий:

Потом последний:

В результате получается окончательный код.

Таким образом, АЦП не перебирает все значения подряд, а быстро уточняет результат по разрядам.

Время преобразования

Главное преимущество такого АЦП — практически постоянное время преобразования.

Для nn-разрядного АЦП требуется примерно:

nn

шагов сравнения.

Например:

• 8-разрядный — около 8 шагов;

• 10-разрядный — около 10 шагов;

• 12-разрядный — около 12 шагов.

Это значительно быстрее, чем у АЦП последовательного счёта.

Достоинства

• высокая скорость преобразования;

• постоянное время преобразования;

• хорошее соотношение скорости и точности;

• сравнительно простая схема;

• небольшое энергопотребление;

• широко применяется в микроконтроллерах.

Именно такой принцип часто используется во встроенных АЦП микроконтроллеров AVR.

Недостатки

• требуется внутренний точный ЦАП;

• точность зависит от компаратора и ЦАП;

• необходима стабильность опорного напряжения;

• при высокой разрядности возрастают требования к точности элементов;

• по скорости уступает параллельным, или Flash-АЦП.

Отличие от АЦП последовательного счёта

В АЦП последовательного счёта код перебирается:

до достижения нужного значения.

В АЦП последовательного приближения код определяется поразрядно:

Поэтому SAR-АЦП работает значительно быстрее.

Кратко для ответа по билету

АЦП последовательного приближения состоит из компаратора, ЦАП, регистра последовательного приближения SAR и схемы управления. Преобразование начинается со старшего разряда. SAR поочерёдно устанавливает каждый бит, ЦАП формирует соответствующее напряжение, а компаратор сравнивает его с входным сигналом. В зависимости от результата бит сохраняется или сбрасывается.

Для nn-разрядного АЦП требуется примерно nn шагов. Основные достоинства — высокая скорость, постоянное время преобразования и хорошая точность. Недостатки — необходимость точного внутреннего ЦАП, компаратора и стабильного опорного напряжения.