Sar adc что это
Глава 7. АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения (SAR ADC). Эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.
При измерении каких-либо объектов мы обычно последовательно увеличиваем точность измерения. Например, при измерении длины мы сначала определяем ее в метрах, затем добавляем к полученному значению остающиеся десятки сантиметров, потом остаток в сантиметрах и т.д. То есть при каждом последующем измерении точность увеличивается на один десятичный разряд. Подобным образом можно проводить измерения и в двоичной системе счисления. В этом случае каждый раз точность измерения будет возрастать ровно в два раза. Подобный процесс измерения напряжения иллюстрируется рисунком 7.1.
Рисунок 7.1. Временные диаграммы напряжений на входах компаратора АЦП последовательного приближения
При измерении неизвестного расстояния оно сравнивается с эталоном длины — линейкой. Но где же взять эталонные напряжения? Для этого можно воспользоваться цифро-аналоговым преобразователем. Если на его вход подавать цифровые коды, то на его выходе будут появляться напряжения, соответствующие этим цифровым кодам. Для формирования необходимых для измерения цифровых кодов служит специальная схема, называемая регистром последовательного приближения.
Для сравнения неизвестного напряжения, поступающего с выхода устройства выборки и хранения, с эталонными напряжениями, поступающими с выхода цифро-аналогового преобразователя, воспользуемся уже известным нам аналоговым компаратором. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения приведена на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2. Структурная схема АЦП последовательного приближения
В первый момент времени после поступления первого тактового импульса на выходе регистра последовательного приближения формируется код половины полной шкалы преобразователя. Этот код соответствует двоичному числу 01111111. При подаче этого кода на входы цифро-аналогового преобразователя на его выходе появится напряжение, соответствующее половине полной шкалы входных напряжений (или, что то же самое, половине опорного напряжения Uоп, подаваемого на соответствующий вход цифро-аналогового преобразователя).
При поступлении следующих тактовых импульсов этот код будет сдвигаться вправо, обеспечивая тем самым уменьшение веса разрядов ровно вдвое. Таким образом, если после первого тактового импульса на выходе цифро-аналогового преобразователя присутствует половина полной шкалы, то после второго тактового импульса там будет присутствовать четверть, затем одна восьмая часть полной шкалы, и так далее.
В примере, приведенном на рисунке 7.1, измеряемое напряжение превышает значение половины полной шкалы АЦП, а значит, на выходе аналогового компаратора появится уровень логической единицы. При поступлении второго тактового импульса этот сигнал запишется в старший разряд регистра последовательного приближения. В результате на выходе этого регистра появится код 10111111, а значит, напряжение на выходе ЦАП станет равным 3/4 от напряжения полной шкалы. Если бы напряжение на выходе УВХ оказалось меньше напряжения, поступающего с выхода ЦАП, то на выходе компаратора появился бы нулевой потенциал, и в регистр последовательного приближения был бы записан код 00111111, а значит, на выходе ЦАП сформировалось бы напряжение 1/2 от напряжения полной шкалы.
В примере, приведенном на рисунке 7.1, напряжение на выходе ЦАП при втором измерении превысит напряжение с выхода УВХ, поэтому на выходе компаратора появится нулевой уровень. При поступлении третьего тактового импульса этот сигнал запишется во второй разряд регистра последовательного приближения, поэтому код на его выходе станет равным 10011111. На этот раз напряжение на выходе ЦАП уменьшится на 1/8 Uоп от предыдущего значения.
Итак, на вход регистра последовательного приближения поступило три тактовых импульса, и мы получили два разряда цифрового кода. После поступления на вход регистра последовательного приближения девяти тактовых импульсов мы получим полный 8-разрядный двоичный код, соответствующий входному напряжению. В примере, приведенном на рисунке 1, этот код равен 10101000.
После завершения преобразования, на управляющем выходе регистра последовательного приближения появляется нулевой потенциал, показывающий, что преобразование закончено.
Итак, для полного преобразования аналогового сигнала в цифровую форму АЦП последовательного приближения требуется, как минимум, N+1 тактовых импульсов (один такт на выдачу половинного напряжения и N тактов для получения N двоичных разрядов).
АЦП последовательного приближения могут работать как в режиме одиночного преобразования, так и в режиме создания непрерывного потока данных. На рисунке 7.2 этот аналого-цифровой преобразователь включен в режиме непрерывного преобразования входного сигнала. В этом режиме тактовая частота должна подаваться от высокостабильного генератора.
Если требуется производить одиночное аналого-цифровое преобразование в определенные моменты времени, то обратная связь с выхода готовности на вход запуска регистра последовательного приближения разрывается и преобразование начинается сразу же после поступления импульса на вход запуска. В этом случае высокой стабильности от генератора тактовой частоты не требуется.
АЦП последовательного приближения используются на частотах преобразования от единиц килогерц до десятков мегагерц. При этом удается достигнуть точности преобразования до 18 двоичных разрядов.
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения (SAR ADC). Эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.
При измерении каких-либо объектов мы обычно последовательно увеличиваем точность измерения. Например, при измерении длины мы сначала определяем ее в метрах, затем добавляем к полученному значению остающиеся десятки сантиметров, потом остаток в сантиметрах и т.д. То есть при каждом последующем измерении точность увеличивается на один десятичный разряд. Подобным образом можно проводить измерения и в двоичной системе счисления. В этом случае каждый раз точность измерения будет возрастать ровно в два раза. Подобный процесс измерения напряжения иллюстрируется рисунком 1.
Рисунок 1. Временные диаграммы напряжений на входах компаратора АЦП последовательного приближения
При измерении неизвестного расстояния оно сравнивается с эталоном длины — линейкой. Но где же взять эталонные напряжения? Для этого можно воспользоваться цифро-аналоговым преобразователем. Если на его вход подавать цифровые коды, то на его выходе будут появляться напряжения, соответствующие этим цифровым кодам. Для формирования необходимых для измерения цифровых кодов служит специальная схема, называемая регистром последовательного приближения.
Для сравнения неизвестного напряжения, поступающего с выхода устройства выборки и хранения, с эталонными напряжениями, поступающими с выхода цифро-аналогового преобразователя, воспользуемся уже известным нам аналоговым компаратором. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения
В первый момент времени после поступления первого тактового импульса на выходе регистра последовательного приближения формируется код половины полной шкалы преобразователя. Этот код соответствует двоичному числу 01111111. При подаче этого кода на входы цифро-аналогового преобразователя на его выходе появится напряжение, соответствующее половине полной шкалы входных напряжений (или, что то же самое, половине опорного напряжения Uоп, подаваемого на соответствующий вход цифро-аналогового преобразователя).
При поступлении следующих тактовых импульсов этот код будет сдвигаться вправо, обеспечивая тем самым уменьшение веса разрядов ровно вдвое. Таким образом, если после первого тактового импульса на выходе цифро-аналогового преобразователя присутствует половина полной шкалы, то после второго тактового импульса там будет присутствовать четверть, затем одна восьмая часть полной шкалы, и так далее.
В примере, приведенном на рисунке 1, измеряемое напряжение превышает значение половины полной шкалы АЦП, а значит, на выходе аналогового компаратора появится уровень логической единицы. При поступлении второго тактового импульса этот сигнал запишется в старший разряд регистра последовательного приближения. В результате на выходе этого регистра появится код 10111111, а значит, напряжение на выходе ЦАП станет равным 3/4 от напряжения полной шкалы. Если бы напряжение на выходе УВХ оказалось меньше напряжения, поступающего с выхода ЦАП, то на выходе компаратора появился бы нулевой потенциал, и в регистр последовательного приближения был бы записан код 00111111, а значит, на выходе ЦАП сформировалось бы напряжение 1/2 от напряжения полной шкалы.
В примере, приведенном на рисунке 1, напряжение на выходе ЦАП при втором измерении превысит напряжение с выхода УВХ, поэтому на выходе компаратора появится нулевой уровень. При поступлении третьего тактового импульса этот сигнал запишется во второй разряд регистра последовательного приближения, поэтому код на его выходе станет равным 10011111. На этот раз напряжение на выходе ЦАП уменьшится на 1/8 Uоп от предыдущего значения.
Итак, на вход регистра последовательного приближения поступило три тактовых импульса, и мы получили два разряда цифрового кода. После поступления на вход регистра последовательного приближения девяти тактовых импульсов мы получим полный 8-разрядный двоичный код, соответствующий входному напряжению. В примере, приведенном на рисунке 1, этот код равен 10101000.
После завершения преобразования, на управляющем выходе регистра последовательного приближения появляется нулевой потенциал, показывающий, что преобразование закончено.
Итак, для полного преобразования аналогового сигнала в цифровую форму АЦП последовательного приближения требуется, как минимум, N+1 тактовых импульсов (один такт на выдачу половинного напряжения и N тактов для получения N двоичных разрядов).
АЦП последовательного приближения могут работать как в режиме одиночного преобразования, так и в режиме создания непрерывного потока данных. На рисунке 2 этот аналого-цифровой преобразователь включен в режиме непрерывного преобразования входного сигнала. В этом режиме тактовая частота должна подаваться от высокостабильного генератора.
Если требуется производить одиночное аналого-цифровое преобразование в определенные моменты времени, то обратная связь с выхода готовности на вход запуска регистра последовательного приближения разрывается и преобразование начинается сразу же после поступления импульса на вход запуска. В этом случае высокой стабильности от генератора тактовой частоты не требуется.
АЦП последовательного приближения используются на частотах преобразования от единиц килогерц до десятков мегагерц. При этом удается достигнуть точности преобразования до 18 двоичных разрядов.
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Какой аналого-цифровой преобразователь подходит для конкретного приложения?
Стив Логан (Maxim Integrated)
Обилие современных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) ставит разработчика перед непростым выбором.
Чтобы выбрать наилучший АЦП для вашего приложения, рассмотрим различные типы этих изделий и оптимальные условия применения для их основных типов.
АЦП последовательного приближения – для средних скоростей и «фотографирования» данных
АЦП последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR) выпускаются в широком диапазоне значений разрешения и скорости. Первое, как правило, лежит в пределах 6…8 до 20 бит, вторая же – от нескольких Квыб/с до 10 Мвыб/с. SAR АЦП – хороший выбор для приложений со средним диапазоном скоростей, таких как управление электродвигателем, анализ вибраций, мониторинг производственных процессов. Они не столь быстродействующие, как конвейерные АЦП (которые рассматриваются далее), но их быстродействие выше, чем у сигма-дельта-АЦП (также рассматриваются далее).
Диапазон значений рассеиваемой мощности SAR АЦП напрямую связан с частотой выборки. Например, микросхема, рассеиваемая мощность которой составляет 5 мВт при скорости 1 Мвыб/с, при 1 квыб/с рассеивает 1 мкВт. Таким образом, SAR АЦП достаточно гибкие в плане применения и разработчик может использовать одно наименование для многих приложений.
Еще одно преимущество SAR АЦП: они делают «фотографию» аналогового входного сигнала. SAR-архитектура производит выборку в конкретный момент времени. Когда разработчику может это понадобиться? Когда вам необходимо измерить сразу несколько сигналов, вы можете одновременно делать выборку несколькими одноканальными SAR АЦП или осуществлять одновременную выборку с помощью мультиканального АЦП или нескольких устройств выборки хранения (УВХ, Track-and-hold, T/H-cores) внутри него. Это позволит системе измерять значения нескольких аналоговых сигналов в одно и то же время.
В токовых трансформаторах и трансформаторах напряжения SAR АЦП используются в цепях реализации релейной защиты. С их помощью система защиты одновременно измеряет различные фазы тока и напряжения. В коммунальном сетевом хозяйстве это способствует более эффективному управлению энергосетями.
Сигма-дельта-АЦП – для большей точности
Если вам необходима повышенная точность за счет более высокого уровня семплирования или максимальное значение эффективного количества бит (ENOB), наилучшим выбором станет сигма-дельта-АЦП, особенно для малошумящих точных приложений. Когда скорость не так критична, передискретизация и формирование шума в сигма-дельта-АЦП дают очень высокую точность.
Когда 5…10 лет назад рынок АЦП последовательного приближения только начал насыщаться, многие аналоговые компании инвестировали в многоканальные сигма-дельта-ядра. Сегодняшний результат этого процесса – очень качественные АЦП с разрядностью до 24 или 32 бит и частотой дискретизации от 10 выб/с до 10 Мвыб/с.
В каких приложениях может потребоваться разрешение более 20 бит? Пример применений, в которых стандартно требуется точность на уровне максимально возможного количества бит – измерительные приборы и топливные хроматографы для нефтяной и газовой промышленности. А также другие системные применения, которые задают стандарты в оценке точности аналоговых сигналов, применения, где конечные пользователи должны быть абсолютно уверены в полученных данных.
Нужен ли модулятор?
Новейшие сигма-дельта-АЦП стало сложно классифицировать в значениях скорости и частоты дискретизации. Традиционные сигма-дельта-АЦП осуществляли всю цифровую постобработку внутри себя (в том числе, с помощью SINC/отсекающих фильтров, децимации, формирования шума). После этого данные последовательно выдавались наружу с очень высоким ENOB (Effective Number of Bits – эффективное количество бит). Например, если у вас был 24-битный АЦП, выходные данные выдавались в 24-битном формате. Первый бит был наибольшим значащим (MSB), а 24-й – наименьшим (LSB). Скорость выдачи данных в обычном случае равнялась системной тактовой частоте, деленной на 24. Это были не самые быстрые и не самые гибкие АЦП.
В последние 5…10 лет более популярны стали сигма-дельта-модуляторы, в частности – в приложениях, требующих повышенной скорости (часто около 1 Мвыб/с и более). Не ожидая полной оцифровки 24-битного выхода, сигма-дельта-модулятор выдает поток данных побитово, перекладывая задачу цифровой фильтрации для дальнейшего анализа данных на плечи процессора или ПЛИС.
Эта гибкость модулятора полезна для таких приложений, как управление электродвигателем, где может вполне хватить разрядности 12…16 бит. Контроллер двигателя может и не нуждаться в 8 младших значащих битах из 24-битного потока данных, если первые 16 бит обеспечивают достаточную точность аналогового измерения.
Последовательные АЦП против сигма-дельта: главное – скорость
Еще одна важная тема для обсуждения – входные фильтры. Вспомним, что последовательная архитектура АЦП позволяет сделать быстрый кадр. Когда приложению требуется повышенная частота выборки, входной фильтр становится более сложным. Затем во многих случаях для «раскачки» входного конденсатора и быстрого гашения колебаний необходим внешний буфер или усилитель, и этот усилитель должен иметь достаточную полосу пропускания. На рисунке 1 показан пример включения 16-битного последовательного АЦП MAX11166 500 квыб/с. Чем выше разрядность и больше скорость дискретизации – тем короче отрезок времени, необходимый для согласования входа и корректного считывания данных.
На рисунке 1 используются усилитель MAX9632 с полосой усиления 55 МГц и простой RC-фильтр. Этот конкретный усилитель обеспечивает шум менее 1 нВ/√Гц, что дает системное разрешение на уровне 1/10 дБ эффективного бита.
Рис. 1. Входной фильтр АЦП последовательного приближения на базе усилителя MAX9632
В сравнении с АЦП последовательного приближения, данные со входа сигма-дельта-АЦП считываются много раз, поэтому требования к сглаживающему фильтру не так критичны. Зачастую достаточно простого RC-фильтра. На рисунке 2 показан пример подключения 24-битного сигма-дельта АЦП MAX11270 64 квыб/с. Это – так называемый мост Уитстоуна с конденсатором 10 нФ, включенным между дифференциальными входами.
Рис. 2. Пример входного фильтра сигма-дельта-АЦП MAX11270
Конвейерные АЦП – для сверхвысокой частоты дискретизации
В этой статье мы уже упомянули конвейерные АЦП как востребованные для получения наиболее высоких частот дискретизации, к примеру, в РЧ-приложениях и SDR – беспроводном радио с программным заданием частоты.
За последние 10 лет крупнейшие производители аналоговых микросхем активно инвестировали в разработку конвейерных АЦП. Два основных преимущества конвейерных АЦП – скорость и мощность. С учетом частот дискретизации от 10 Мвыб/с до нескольких Гвыб/с, наиболее критичным становится выбор для этих изделий интерфейсов. Ожидается «большая битва» вокруг цифровых выходов конвейерных АЦП. В качестве основного до сих пор предлагался параллельный интерфейс, но и последовательный LVDS-интерфейс вполне подходит, например, для ультразвуковых приложений с большим количеством каналов и частотой дискретизации в пределах 50…65 Мвыб/с. Однако уже существуют новые типы интерфейсов.
Последовательный интерфейс JESD204B
JESD204B – это высокоскоростной последовательный интерфейс с передачей данных до 12,5 Гбит/с. Возникнув сравнительно недавно, он позволил производителям АЦП значительно повысить частоты дискретизации, а за ними подтянулись производители процессоров и ПЛИС со своими последовательными приемопередатчиками.
В многоканальном приложении с несколькими параллельно включенными АЦП проблемой являются запутанные соединения между АЦП и ПЛИС/процессором. При применении интерфейса JESD204B число линий данных значительно сокращается, экономя тем самым пространство платы. На рисунке 3 показаны одна последовательная выходная пара и вход синхронизации этого интерфейса, что значительно сокращает требуемое количество контактов для ввода-вывода.
Рис.3. Подключение последовательного интерфейса JESD204B
Отметим, что в последние годы было опубликовано множество статей о JESD204B, где можно найти подробную информацию о работе интерфейса.
Энергопотребление конвейерных АЦП
По мере роста миниатюризации изделий лидирующие производители АЦП все интенсивнее борются за сокращение энергопотребления. Хорошие показатели – 1 мВт на 1 Мвыб/с. Если показатели вашего АЦП близки к этому, то у вас есть, от чего оттолкнуться в создании проекта.
АЦП, оптимизированные для микроконтроллеров, ПЛИС, ЦПУ и систем-на-кристалле
АЦП, встроенные в микросхемы, как правило, не самые производительные. Изначально, когда в микросхему встраивался 12-битный АЦП, предполагалось, что он будет работать как 8-битный для получения гарантированных значений эффективного количества бит (ENOB) или линейности. Для обеспечения нужных характеристик работы АЦП пользователю необходимо тщательно изучить параметры полной спецификации и определить, какие из них должны иметь гарантированные значения. Однако зачастую просматривались только стандартные характеристики или минимальные и максимальные значения параметров из кратких спецификаций.
В последнее время такие характеристики АЦП как интегральная нелинейность (INL), дифференциальная нелинейность (DNL), ошибка усиления и эффективное количество бит (ENOB) значительно улучшились, что позволило более активно встраивать АЦП в микроконтроллеры, и число микросхем со встроенными АЦП значительно возросло. В настоящее время, если приложению требуется преобразование с разрешением 12 бит и менее или всего несколько каналов преобразования, наиболее экономичным решением является микроконтроллер.
Производители ПЛИС также начали встраивать АЦП в свои системы. Например, компания Xilinx размещает 12-битный 1 Мвыб/с АЦП во всех ПЛИС 7 серии и системах-на-кристалле Zynq. Однако весьма важным является расположение АЦП на плате. Процессорный модуль с ПЛИС или системой-на-кристалле может находиться на значительном удалении от аналогового входа, который вообще может размещаться на отдельной плате, соединенной с процессорной платой посредством высокоскоростной цифровой шины. Если вы не хотите подвергать чувствительные аналоговые сигналы такому испытанию, то встроенное в процессор или ПЛИС АЦП – не ваш выбор. В этом случае вам определенно понадобится отдельный качественный АЦП. Например, для программируемых логических контроллеров (PLC) это, скорее всего, будет 24-битный сигма-дельта-АЦП.
Если мы заговорили о PLC, следует упомянуть о таком важном элементе как изоляция. Большинство аналоговых входов PLC включает несколько форм изоляции, обычно цифровой. Многие модули с аналоговыми входами содержат недорогие микроконтроллеры для быстрых отклика и прерываний. В этом случае расположение изоляции подсказывает, следует ли применить встроенный АЦП. Если изоляция расположена между процессором (или микроконтроллером) и шиной, встроенный АЦП подходит. Если микроконтроллер требуется изолировать от высоковольтных входных сигналов, тогда лучшим решением являются интегральный АЦП и цифровой изолятор.
Какой выбор наилучший?
Мы обсудили несколько характеристик современных АЦП. А насколько важны скорость, мощность и точность сигналов, которые вы измеряете?
Если вам необходимо простое считывание с низким разрешением для домашнего использования, это смогут, по всей вероятности, проделать АЦП, встроенные в микроконтроллер, ПЛИС, процессор или систему-на-кристалле АЦП. Если ваше приложение низкоскоростное (входной аналоговый сигнал близок к постоянному току, например, медленно изменяющийся сигнал температуры), оптимальным выбором является сигма-дельта-АЦП. Если сигнал на входе изменяется достаточно быстро, как в случае с анализом вибраций мотора, работающего со скоростью около 1000 оборотов в минуту, наилучшим вариантом является последовательный (SAR) АЦП. Если приложение должно измерять наиболее быстро изменяющиеся аналоговые сигналы из существующих, тогда лучший выбор – конвейерный АЦП.
Главная фраза, о которой не стоит забывать в процессе выбора АЦП – «это зависит от…». Если вы разработчик цифровых схем или эксперт по источникам питания, озадаченный выбором правильного АЦП — вы изучите подробные инструкции. АЦП – это сложные микросхемы с множеством нюансов, требующие тщательного изучения технического описания и отладочных комплектов. В таблице 1 приведены минимальные и максимальные параметры АЦП, доступных на рынке. Это реальная картина сегодняшнего дня. Кто знает, как она изменится в ближайшие годы?
Таблица 1. Стандартный диапазон характеристик АЦП
В чем разница между Δ∑-АЦП и АЦП последовательного приближения?
Выбирая между АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП, разработчик, как правило, должен решить, что для него важнее в конкретном приложении – высокое разрешение или частота дискретизации.
Сегодня практически в каждом электронном устройстве используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Одна из задач, стоящих перед разработчиком при создании нового устройства, заключается в выборе типа АЦП. Этот выбор во многом определяет эффективность конечного решения. В данной статье рассматриваются два наиболее популярных типа АЦП: АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП. В заключении даются рекомендации, которые помогут разработчикам сделать грамотный выбор между этими архитектурами.
Для описания АЦП используются десятки различных параметров. Рассмотри наиболее важные из них.
Разрешение. Разрешение АЦП определяется его максимальной разрядностью. Разрешение также может выражаться как минимальное изменение входного аналогового сигнала, которое приводит к изменению выходного цифрового значения на 1 бит LSB (младший значащий разряд). Таким образом, аналоговое разрешение определяет минимальное изменение входного сигнала, которое может быть зафиксировано АЦП.
Точность. Точность АЦП характеризует, насколько реальный выходной цифровой сигнал отличается от идеального значения. Точность АЦП определяется шумом квантования, нелинейностями в передаточной характеристике и дополнительными источниками шума.
Частота дискретизации. Частота дискретизации – это наибольшее количество выборок, которое АЦП способен выполнить за одну секунду. Например, АЦП может делать 10 миллионов выборок в секунду (10 MSPS). Частота дискретизации связана со временем преобразования, то есть тем временем, которое требуется для выполнения одного преобразования. Для частоты дискретизации 10 MSPS время преобразования составляет 100 нс.
Есть и другие важные характеристики АЦП, но, к сожалению, они оказываются слишком сложными, чтобы их можно было рассмотреть в рамках данной короткой статьи. При необходимости с ними можно ознакомиться самостоятельно с помощью других публикаций.
Сравнение типов АЦП
Существует пять наиболее распространенных архитектур АЦП: АЦП двойного интегрирования (dual slope ADC), АЦП последовательного приближения (successive approximation ADC), АЦП прямого преобразования (flash ADC), АЦП конвейерного типа (pipelined ADC), дельта-сигма АЦП (delta-sigma ADC).
АЦП двойного интегрирования отличаются низкой частотой дискретизации и используются в основном в измерительных приборах, таких, например, как цифровые вольтметры. АЦП с последовательным приближением имеют хорошее разрешение и умеренно высокую частоту дискретизации, в то время как АЦП прямого преобразования предлагают самую высокую скорость преобразования, но характеризуются невысоким разрешением. Преобразователи конвейерного типа использует несколько АЦП прямого преобразования, что позволяет увеличить разрешение и сохранить высокую частоту дискретизации. Наконец, сигма-дельта АЦП (ΔΣ) обеспечивают очень высокое разрешение, но отличаются самой низкой частотой дискретизации. В таблице 1 представлены характеристики всех перечисленных типов преобразователей.
Таблица 1. Характеристики различных типов АЦП
Тип АЦП
Разрешение, бит
Частота дискретизации
100 выборок в секунду
10 миллионов выборок в секунду
10 миллиардов выборок в секунду
1 миллиард выборок в секунду
1 миллион выборок в секунду
Самыми популярными типами АЦП являются АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП. Оставшаяся часть статьи посвящена более детальному рассмотрению особенностей этих двух типов преобразователей.
АЦП последовательного приближения
АЦП последовательного приближения является одним из старейших и наиболее популярных типов АЦП. Их обычно используют в приложениях сбора данных, в промышленной автоматике и в контрольно-измерительных приборах, то есть там, где сверхвысокая скорость не требуется.
На рис. 1 показана структурная схема АЦП последовательного приближения. В ее основе лежит регистр последовательного приближения. Результат, хранящийся в этом регистре, поступает на выход АЦП по параллельной шине. Эта же шина подключена к цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), который формирует аналоговый сигнал в соответствии с содержимым регистра. Сигнал от источника опорного напряжения, подаваемого на вход ЦАП, определяет диапазон входных напряжений АЦП (например, от 0 до 5 В).
Рис. 1. В основе АЦП последовательного приближения лежит регистр последовательного приближения
Сигнал с выхода ЦАП поступает на вход компаратора. На другой вход компаратора подается аналоговый сигнал, который требуется оцифровать. Этот сигнал обычно предварительно нормализуется с помощью усилителя выборки хранения. Усилитель выборки хранения содержит ключ и конденсатор, который заряжает/ разряжается входным напряжением. Каждое преобразование начинается с выборки входного напряжения. Для этого ключ усилителя открывается, и входное напряжение заряжает конденсатор. Далее усилитель обеспечивает постоянство этого напряжения в течение всего процесса преобразования.
В некоторых случаях усилитель выборки-хранения может отсутствовать. Речь идет об АЦП с низким быстродействием и невысоким разрешением.
Разрешение АЦП последовательного приближения обычно находится в диапазоне от 8 до 18 бит и зависит от количества битов в регистре последовательного приближения. Чем больше количество битов, тем больше разрешение и точность. Например, для 12-разрядного АЦП с опорным 5 В ЦАП аналоговое разрешение составит VR/ 2 N = 5/ 2 12 = 5/ 4096 = 1,22 мВ.
АЦП использует специальный алгоритм работы. Логика управления последовательно устанавливает или сбрасывает отдельные биты в регистре последовательного приближения в соответствии с состоянием выхода компаратора. Изначально все биты регистра сброшены. При запуске преобразования старший бит регистра (MSB) устанавливается в «1». Далее выполняется сравнение. Если входное напряжение АЦП оказывается больше, чем напряжение на выходе ЦАП, то бит регистра остается установленным, в противном случае сбрасывается.
Затем устанавливается следующий по старшинству бит и выполняется новое сравнение. Тактовый сигнал определяет скорость установки и сброса битов регистра. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут оценены все биты. Общее время преобразования в таком случае определяется временем установки/ сброса одного бита, умноженным на количество битов в регистре последовательного приближения. Для 16-разрядного АЦП с тактовой частотой 2 МГц время преобразования составляет 16 x 0,5 мкс = 8 мкс. Время преобразования определяет частоту дискретизации АЦП.
После выполнения преобразования полученное цифровое значение входного напряжения может быть считано по параллельной шине напрямую из регистра последовательного приближения, либо в качестве альтернативного варианта содержимое регистра может быть перенесено в сдвиговый регистр, из которого результат считывается с помощью последовательного интерфейса.
Дельта-сигма АЦП
ΔΣ-АЦП используют более современную архитектуру, которая была разработана после создания эффективных механизмов цифровой обработки сигналов (DSP). Эта архитектура оказывается уникальной и сложной, но обеспечивает рекордное разрешение и минимальный уровень шума. В то же время, ΔΣ-АЦП уступают остальным типам АЦП по частоте дискретизации, поэтому чаще всего их используют для работы с постоянными сигналами и низкочастотными сигналами аудиодиапазона. Типичными приложениями для ΔΣ-АЦП являются измерительные приборы и цифровое аудио (например, CD, MP3 и т. д.).
На рис. 2 показана структурная схема ΔΣ-АЦП. В ее основе лежит ΔΣ-модулятор. Входной сигнал АЦП подается на дифференциальный усилитель, где из него вычитается выходной сигнал встроенного 1-битного ЦАП. Затем результат интегрируется и поступает на компаратор, который сравнивает его с нулевым потенциалом. Далее выход компаратора устанавливает или сбрасывает D-триггер. Состояние D-триггера снова отправляется в ЦАП. Так как ЦАП имеет разрядность 1 бит, то на его выходе может присутствовать либо 0 В, либо напряжение опорного источника. В качестве альтернативного варианта ЦАП может формировать двухполярный сигнал, например ± 1 В.
Рис. 2. В основе ΔΣ-АЦП лежит схема модулятора
В результате на выходе D-триггера создается битовый поток. Плотность появления логических единиц «1» в этом потоке пропорциональна уровню входного напряжения. Каждый тактовый импульс генерирует один бит входного сигнала и один бит последовательного выходного сигнала. Тактовая частота обычно намного выше, чем частота входного сигнала, что необходимо для обеспечения передискретизации.
Сам по себе битовый поток оказывается не очень полезным. По этой причине в дальнейшем он обрабатывается низкочастотным DSP-фильтром и дециматором. Описание фактических процессов, происходящих в этих блоках, выходит за рамки данной статьи. Отметим лишь, что на выходе формируются цифровые битовые слова заданной длины. Цифровой фильтр и дециматор обычно входят в состав АЦП.
Ключевой особенностью ΔΣ-АЦП является тот факт, что фильтр нижних частот удаляет большую часть высокочастотного шума, генерируемого в процессе измерений. Дециматор уменьшает количество выходных слов в соответствии с заданным коэффициентом прореживания. Коэффициент прореживания определяет, какое количество выборок будет усреднено для получения каждого выходного цифрового слова.
Итак, какие преобразователи лучше: ΔΣ-АЦП или АЦП последовательного приближения?
Ответ зависит от конкретного приложения. Какой из параметров оказывается для Вас наиболее критичным: разрешение или частота дискретизации? Для получения максимального разрешения следует выбирать ΔΣ-АЦП, для которых разрядность достигает 32 бит. Разрешение у АЦП последовательного приближения также весьма достойное, но, как правило, не превышает 18 бит.
Скорость выборки также имеет большое значение. АЦП должен быть достаточно быстрым, чтобы отрабатывать наиболее высокочастотные входные сигналы. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна превышать самую высокочастотную составляющую исследуемого сигнала как минимум в два раза. Так, например, если максимальная частота входного сигнала составляет 45 кГц, то частота дискретизации должна быть более 90 кГц. На практике для получения приемлемых результатов используют частоту дискретизации, превышающую частоту исследуемого сигнала в пять-десять раз.
ΔΣ-АЦП и АЦП последовательного приближения имеют максимальную частоту дискретизации до 10 миллионов выборок в секунду (10 MSPS). Однако следует иметь в виду, что для ΔΣ-АЦП частота обновления данных оказывается меньше из-за выполнения децимации и обычно находится в диапазоне тысяч выборок в секунду (kSPS). Вместе с тем ΔΣ-АЦП обеспечивают более качественное удаление шума, чем АЦП последовательного приближения.
Одно из преимуществ АЦП последовательного приближения заключается в том, что в них может использоваться мультиплексирование нескольких входов для получения многоканальных решений. Мультиплексор выполняет коммутацию каналов, подавая входные сигналы на усилитель выборки-хранения. Очевидно, что при последовательном опросе каналов частота дискретизации для каждого отдельного входа оказывается ниже. Например, четырехканальный АЦП с частотой дискретизации 5 MSPS обеспечивает частоту измерений для каждого канала 1,25 MSPS.
Таблица 2. Достоинства, недостатки и области применения ΔΣ-АЦП и АЦП последовательного приближения