- Co je postupná aproximace ADC?
- Práce postupného přibližování ADC
- Čas, rychlost a rozlišení po sobě jdoucí aproximace ADC
- Výhody a nevýhody postupné aproximace ADC
- Aplikace SAR ADC
Analogově digitální převodník (ADC) je typ zařízení, které nám pomáhají zpracovávat chaotické reálných dat v digitální hlediska. Abychom porozuměli skutečným datům, jako je teplota, vlhkost, tlak, poloha, potřebujeme snímače, které měří určité parametry a dávají nám zpět elektrický signál ve formě napětí a proudu. Protože většina našich zařízení je dnes digitální, je nutné převést tyto signály na digitální signály. To je místo, kde přichází ADC, i když existuje mnoho různých typů ADC, ale v tomto článku budeme hovořit o jednom z nejpoužívanějších typů ADC, které jsou známé jako postupná aproximace ADC. V dřívějším článku jsme hovořili o základech ADC pomocí Arduina. Můžete si to ověřit, pokud jste v elektronice noví a chcete se o ADC dozvědět více.
Co je postupná aproximace ADC?
Postupnou aproximací ADC je ADC volby pro low-cost média do aplikace s vysokým rozlišením je rozlišení pro SAR ADC se pohybuje v rozmezí 8 - 18 bitů, s rychlostí vzorek až 5 mega vzorků za sekundu (MSPS). Lze jej také zkonstruovat v malém provedení s nízkou spotřebou energie, a proto se tento typ ADC používá pro přenosné nástroje napájené z baterie.
Jak název napovídá, tento ADC používá k převodu hodnot binární vyhledávací algoritmus, což je důvod, proč vnitřní obvody mohou běžet na několika MHZ, ale skutečná vzorkovací frekvence je mnohem menší kvůli algoritmu postupné aproximace. Více o tom pojednáváme dále v tomto článku.
Práce postupného přibližování ADC
Titulní obrázek ukazuje základní postupný aproximační obvod ADC. Ale abychom trochu lépe pochopili princip fungování, použijeme jeho 4bitovou verzi. Obrázek níže to přesně ukazuje.
Jak vidíte, tento ADC se skládá z komparátoru, digitálního na analogový převodník a postupného aproximačního registru spolu s řídicím obvodem. Nyní, kdykoli začne nová konverzace, vzorkuje a drží obvod vzorkuje vstupní signál. A tento signál je porovnáván se specifickým výstupním signálem DAC.
Nyní řekněme, že vzorkovaný vstupní signál je 5,8V. Reference ADC je 10V. Když začíná převod, postupný aproximační registr nastaví nejvýznamnější bit na 1 a všechny ostatní bity na nulu. To znamená, že hodnota se stane 1, 0, 0, 0, což znamená, že pro referenční napětí 10 V bude DAC produkovat hodnotu 5 V, což je polovina referenčního napětí. Nyní bude toto napětí porovnáno se vstupním napětím a na základě výstupu komparátoru bude změněn výstup následujícího aproximačního registru. Obrázek níže to více objasní. Dále se můžete podívat na obecnou referenční tabulku, kde najdete další podrobnosti o DAC. Dříve jsme realizovali mnoho projektů na ADC a DAC, můžete se podívat na tyto informace.
To znamená, že pokud je Vin větší než výstup DAC, nejvýznamnější bit zůstane takový, jaký je, a další bit bude nastaven pro nové srovnání. V opačném případě, pokud je vstupní napětí menší než hodnota DAC, bude nejvýznamnější bit nastaven na nulu a další bit bude nastaven na 1 pro nové srovnání. Nyní, pokud vidíte níže uvedený obrázek, je napětí DAC 5 V a protože je menší než vstupní napětí, další bit před nejvýznamnějším bitem se nastaví na jednu a ostatní bity se nastaví na nulu, tento proces bude pokračovat, dokud dosáhne hodnota nejblíže vstupnímu napětí.
Takto se postupná aproximace ADC mění po 1 bitech, aby se určilo vstupní napětí a vytvořila výstupní hodnota. A ať už je hodnota ve čtyřech iteracích jakákoli, ze vstupní hodnoty dostaneme výstupní digitální kód. Nakonec je níže uveden seznam všech možných kombinací čtyřbitového postupného přibližování ADC.
Čas, rychlost a rozlišení po sobě jdoucí aproximace ADC
Čas převodu:
Obecně lze říci, že pro N bitový ADC to bude trvat N hodinových cyklů, což znamená, že doba převodu tohoto ADC bude -
Tc = N x Tclk
* Tc je zkratka pro Conversion Time.
A na rozdíl od jiných ADC je doba převodu tohoto ADC nezávislá na vstupním napětí.
Protože používáme 4bitový ADC, abychom se vyhnuli efektům aliasingu, musíme odebrat vzorek po 4 po sobě jdoucích hodinových pulzech.
Rychlost převodu:
Typická rychlost převodu tohoto typu ADC je kolem 2 - 5 Mega vzorků za sekundu (MSPS), ale existuje jen málo z nich, které mohou dosáhnout až 10 (MSPS). Příkladem může být LTC2378 od společnosti Linear Technologies.
Řešení:
Rozlišení tohoto typu ADC může být kolem 8 - 16 bitů, ale některé typy mohou dosáhnout až 20 bitů, příkladem může být ADS8900B od Analog Devices.
Výhody a nevýhody postupné aproximace ADC
Tento typ ADC má oproti jiným mnoho výhod. Má vysokou přesnost a nízkou spotřebu energie, je snadno použitelný a má nízkou dobu latence. Čas latence je čas začátku získávání signálu a čas, kdy jsou data k dispozici pro načtení z ADC, obvykle je tento čas latence definován v sekundách. Ale také některé datové listy odkazují na tento parametr jako konverzní cykly, v konkrétním ADC, pokud jsou data k dispozici pro načtení v rámci jednoho konverzního cyklu, můžeme říci, že má latenci jednoho konverzního cyklu. A pokud jsou data k dispozici po N cyklech, můžeme říci, že mají latenci jednoho konverzního cyklu. Hlavní nevýhodou SAR ADC je jeho konstrukční složitost a výrobní náklady.
Aplikace SAR ADC
Jelikož se jedná o nejčastěji používaný ADC, používá se pro mnoho aplikací, jako je použití v biomedicínských zařízeních, která lze implantovat do pacienta, tyto typy ADC se používají, protože spotřebovávají velmi méně energie. Mnoho inteligentních hodinek a senzorů také používalo tento typ ADC.
Souhrnně lze říci, že primární výhodou tohoto typu ADC je nízká spotřeba energie, vysoké rozlišení, malý tvarový faktor a přesnost. Tento typ znaků je vhodný pro integrované systémy. Hlavním omezením může být jeho nízká vzorkovací frekvence a části potřebné k vytvoření tohoto ADC, což je DAC, a komparátor, oba by měli pracovat velmi přesně, aby získali přesný výsledek.