Архитектура последовательного приближения

Алгоритм последовательного приближения осуществляет аналого-цифровое преобразование за несколько циклов путем использования ранее определенных битов для получения следующего бита цифрового кода (рисунок 2.6). Здесь, после выборки входного напряжения, оно сравнивается с половинным значением динамического диапазона АЦП. Таки образом определяется первый бит выходного кода. В следующем цикле происходит сравнение с четвертью диапазона, получение второго бита и так далее. Алгоритм преобразования для n-разрядного АЦП занимает максимум (n+1) циклов, включая цикл выборки входного напряжения.

 

Рисунок 2.6 – График последовательного приближения

 

Структурная схема АЦП последовательного приближения представлена на рисунке 2.7. Достоинствами АЦП данного типа являются простота схемы и низкая потребляемая мощность. Скорость преобразования обратно пропорциональна разрядности АЦП.

 

Рисунок 2.7 – Структурная схема АЦП последовательного приближения

Интегрирующие АЦП

Преобразование входного сигнала в АЦП данного типа осуществляется в два этапа (рисунок 2.8). На первом этапе происходит заряд интегрирующего конденсатора входным напряжением в течение фиксированного промежутка времени (периода интегрирования). На втором этапе происходит разряд конденсатора заданным током до нулевого напряжения. Длительность разряда при этом пропорциональна величине входного напряжения.

 

Рисунок 2.8 – Процесс преобразования входного напряжения

в интегрирующем АЦП

 

АЦП данного типа обладают следующими преимуществами:

– нечувствительность к импульсным помехам;

– нечувствительность к периодическим помехам, если их период в целое число раз меньше периода интегрирования;

– разрядность 14…20 бит;

– ключевая особенность – нечувствительность к изменениям тактовой частоты.

Однако недостатком является низкое время преобразования, порядка 1…1000мс.

 

Сигма-дельта архитектура

Архитектура сигма-дельта относится к классу АЦП с передискретизацией. Ключевая особенность таких преобразователей состоит в многократной выборке входного сигнала с последующей обработкой. Блок-схема сигма-дельта АЦП представлена на рисунке 2.9.

В схему входят следующие функциональные блоки:

– АЦП на базе сигма-дельта модулятора высокого порядка;

– цифровой фильтр нижних частот;

– дециматор (прореживающий фильтр).

 

Рисунок 2.9 – Блок-схема сигма-дельта АЦП

 

Блок АЦП производит оцифровку входного сигнала, а также подавление возникающего шума на низких частотах, за счет вытеснения его в область высоких частот. Выходной сигнал с преобразователя поступает на цифровой фильтр нижних частот, где производится его усреднение. Последним каскадом сигма-дельта преобразователя является фильтр децимации. Его основная функция – понижение скорости передачи выходных данных, чтобы она соответствовала полосе частот входного сигнала. Процесс преобразования частотного спектра сигнала в сигма-дельта АЦП представлен на рисунке 2.10.

 

Рисунок 2.10 – Изменение спектра входного сигнала в процессе преобразования

 

Эффективный алгоритм подавления шумов позволяет получать сигма-дельта АЦП высокой разрядности. Соответственно, АЦП данного типа обеспечивают минимальную погрешность дискретизации, по сравнению с другими преобразователями. Недостатком архитектуры сигма-дельта является невозможность обработки быстро изменяющихся сигналов.

Выводы

Аналого-цифровые преобразователи обладают рядом характеристик, которые необходимо учитывать при проектировании систем сбора данных. Первое, на что следует обратить внимание при выборе АЦП – скорость изменения входного сигнала и его допустимая погрешность преобразования. Из рассмотренных архитектур наибольшей скоростью преобразования обладают АЦП параллельного преобразования и конвейерного типа; наибольшей разрядностью – сигма-дельта АЦП. Архитектура последовательного приближения занимает промежуточное положение и отличается относительной простотой реализации.