Метод последовательного приближения
АЦП последовательного приближения – наиболее популярный тип АЦП, используемый в УСД, поскольку его отличают высокое быстродействие и высокая точность при вполне умеренной стоимости. На рисунке А-12 изображена схема 8-разрядного АЦП последовательного приближения.
Рисунок А-12. АЦП последовательного приближения
Преобразователь последовательного приближения использует технику, похожую на определение веса объекта при помощи набора гирь. Например, предположим, что у вас имеется четыре гири 1 г, 2 г, 4 г и 8 г. Вы помещаете объект на одну чашу весов, а наибольшую гирю на другую. Если стрелка весов не сдвинулась, вы помещаете еще одну гирю с наибольшим весом. Если стрелка сдвинулась, то вы убираете эту гирю и ставите вместо нее гирю полегче. Это продолжается до тех пор, пока весы не будут уравновешены. Подсчитав число гирь с соответствующими весами, вы определите вес объекта.
8-разрядный преобразователь последовательного приближения работает подобным же образом. Регистр последовательных приближений устанавливает все восемь разрядов ЦАП в 0. Затем, начиная с самого старшего разряда (ССР), каждый бит устанавливается в 1, и компаратор (Комп) сравнивает выходное напряжение. Если напряжение ЦАП не превышает входного, то бит остается равным 1, в противном случае он устанавливается в 0. Цифровой код, представляющий входное аналоговое напряжение, выводится после того, как все n разрядов будут проверены. В случае 8-разрядного АЦП этот процесс обычно занимает меньше 2 мкс. На рисунке А-13 отображена последовательность преобразования 8-разрядным АЦП последовательного приближения.
Рисунок А-13. Последовательность преобразования 8-разрядным АЦП последовательного приближения
Параллельный и последовательно-параллельный методы
Самый быстродействующий АЦП – это параллельный (flash) АЦП. При использовании n-разрядного АЦП входное напряжение подается одновременно на 2n–1 компараторов. Как показано на рисунке А-14, каждый из компараторов сравнивает входное напряжение с различным опорным напряжением. Опорные напряжения последовательных компараторов кодируют разряды выходного напряжения. Если входное напряжение больше или равно опорного напряжения, выход компаратора равен 1, в противном случае – 0. Шифратор транслирует выходные сигналы компараторов в цифровой код.
Параллельные преобразователи обычно имеют не более 8 разрядов выходного кода. При большем числе разрядов АЦП становятся чрезмерно дорогостоящими и громоздкими. Для удешевления продукта применяются последовательно-параллельные АЦП, которые используют смешанную технику, что, однако, приводит к уменьшению быстродействия по сравнению с параллельными АЦП.
Рисунок А-14. Параллельный АЦП
Интегрирующий АЦП
Другой метод аналого-цифрового преобразования – интегрирующий – использует интегрирование для оцифровки входного сигнала. АЦП такого типа имеют ряд преимуществ – высокое разрешение, хорошую линейность и подавление помех с использованием усреднения. Однако есть и серьезный недостаток – низкая скорость преобразования. Поэтому интегрирующие АЦП преимущественно используются в качестве цифровых вольтметров или других устройств, не требующих большой частоты измерений.
Дельта-сигма модуляция
Самая современная технология в АЦП – это использование дельта-сигма преобразования. АЦП такого типа используют дельта-сигма модуляторы совместно с фильтрами защиты от наложения спектров и цифровыми фильтрами. Они обеспечивают высокую частоту дискретизации, высокую точность и наилучшую линейность среди всех типов АЦП. Например, АЦП такого типа имеет разрешение 16 бит на частоте 48 кГц с полным отсутствием дифференциальной нелинейности.
Таблица А-2. Преимущества/использование различных типов АЦП
-
Тип АЦП
Преимущества/использование
Последовательного приближения
Высокое разрешение
Высокое быстродействие
Легкость переключения
Обычно используется на DAQ платах
Может оцифровывать постоянные сигналы
Параллельный
Наибольшее быстродействие
Отработанная технология
Более дорогостоящий
Интегрирующий
Высокое разрешение
Хорошее подавление помех
Хорошая линейность
Отработанная технология
Низкая частота преобразования
Обычно используется в цифровых мультиметрах
Дельта-сигма
Высокое разрешение
Великолепная линейность
Встроенные фильтры защиты от наложения спектров
Оцифровывает переменные сигналы