АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания)

Проиллюстрируем работу данного АЦП на примере упрощенной структурной схемы, показанной на рис. 8.14. Основой устройства является регистр последовательных приближений (РПП). Алгоритм его работы следующий. По каждому импульсу ГТИ РПП последовательно, начиная со старшего разряда, формирует на выходах Q сигнал логической 1, который в зависимости от сигнала, поступающего на его управляющий вход с выхода компаратора, либо остается неизменным, либо заменяется сигналом логического 0.

Рис. 8.14. Структурная схема АЦП последовательного приближения

Работу АЦП рассмотрим с использованием временных диаграмм, приведенных на рис. 8.15.

Рис. 8.15. Временные диаграммы работы АЦП последовательного приближения

В момент  по сигналу «Пуск» в выходной статический регистр РПП, выполненный на RS-триггерах  записывается код, содержащий единицу только в старшем разряде . Этот код при помощи ЦАП преобразуется в напряжение , которое на входе компаратора DA сравнивается с входным напряжением устройства. Если , то на выходе компаратора формируется единичный сигнал, если  – то нулевой сигнал.

Одновременно сигналом «Пуск» в младший разряд  сдвигового регистра DD1 РПП по фронту ГТИ также записывается сигнал логической единицы. Этот сигнал открывает логический переключатель на элементе 2И  и выходной сигнал компаратора передается на вход R триггера . При этом, если , то триггер  сбрасывается и на выходе РПП формируется нулевой код. В противном случае () триггер  остается установленным и на выходе РПП сохраняется код с единицей в старшем разряде.

Следующий фронт ГТИ сдвигает код, записанный в DD1 влево. В результате этого сигнал логической единицы перемещается в его первый разряд (), что устанавливает триггер . На выходе РПП формируется код, содержащий единицу в разряде , а на выходе ЦАП – новое значение напряжения, равное . Это напряжение также сравнивается с . Так как сигнал логической единицы присутствует только на выходе  регистра DD1, то выходной сигнал компаратора DA может воздействовать на вход R только триггера . При этом, если , то  сбрасывается, а если  – триггер остается установленным.

Следующий импульс ГТИ сдвигает код, записанный в DD1 влево и процесс продолжается аналогично описанному до тех пор, пока сигнал логической единицы не достигнет старшего разряда  регистра DD1. В этом случае по импульсу ГТИ регистр DD1 устанавливается в нуль и процесс преобразование завершается. Искомое значение выходного кода считывается с выхода РПП.

Из приведенного алгоритма следует, что число импульсов, необходимое для выполнения преобразования, равно разрядности выходного кода АЦП, т.е. время преобразования

                                                                                                        (8.22)

Очевидно, что это время не зависит от входного напряжения и существенно меньше времени, необходимого для преобразования в АЦП последовательного счета.

Ввиду своей достаточной простоты и хорошего быстродействия данный тип АЦП находит широкое применение при разработке интегральных схем.

Области применения АЦП

Основные направления и области применения АЦП кратко перечислены в табл. 8.2. В описании таблицы использованы следующие сокращения: ПС – АЦП последовательного счета; ПП – АЦП последовательного приближения; ПрП – АЦП прямого преобразования; И – АЦП двойного интегрирования; ПНЧ – преобразователь напряжение–частота.

В табл. 8.3 приведены основные параметры наиболее популярных АЦП.

Схема выборки и хранения

В тех случаях, когда аналоговый сигнал на входе АЦП изменяется с большой скоростью, за время преобразования может произойти существенное изменение входного напряжения. Получаемое при этом на выходе АЦП числовое значение не будет соответствовать значению входного сигнала в тактовый момент времени. Устранение этого явления достигается использованием схемы выборки и хранения. Эта схема производит из входного напряжения выборку значения, соответствующего тактовому моменту времени, и хранит эту выборку неизменной в течение времени, необходимого для ее преобразования в числовую форму.

На рис. 8.16 приведена упрощенная схема выборки и хранения. В исходном состоянии ключ Кл замкнут. При малой постоянной времени  напряжение на конденсаторе  следует за изменениями напряжения  с требуемой точностью. В тактовый момент времени ключ переводится в разомкнутое состояние. Напряжение на конденсаторе , имевшееся к моменту размыкания ключа (представляющее собой выборку из напряжения ), может сохраняться практически неизменным в течение достаточно длительного времени. Напряжение с выхода операционного усилителя  поступает в АЦП и преобразуется в числовую форму. После окончания преобразования ключ вновь замыкается.

Рис. 8.16. Схема выборки и хранения