- Co to jest ADC w kolejnym przybliżeniu?
- Praca z kolejną aproksymacją ADC
- Czas konwersji, szybkość i rozdzielczość kolejnej aproksymacji ADC
- Zalety i wady sukcesywnego przybliżania ADC
- Zastosowania SAR ADC
Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) to rodzaj urządzenia, które pomaga nam przetwarzać chaotyczne dane ze świata rzeczywistego z cyfrowego punktu widzenia. Aby zrozumieć rzeczywiste dane, takie jak temperatura, wilgotność, ciśnienie, położenie, potrzebujemy przetworników, które mierzą określone parametry i przekazują nam sygnał elektryczny w postaci napięcia i prądu. Ponieważ większość naszych dzisiejszych urządzeń jest cyfrowych, konieczna jest konwersja tych sygnałów na sygnały cyfrowe. I tu właśnie pojawia się ADC, chociaż istnieje wiele różnych typów ADC, ale w tym artykule będziemy mówić o jednym z najczęściej używanych typów ADC, które są znane jako kolejne przybliżone ADC. We wczesnym artykule omówiliśmy podstawy ADC za pomocą Arduino, możesz to sprawdzić, jeśli jesteś nowy w elektronice i chcesz dowiedzieć się więcej o ADC.
Co to jest ADC w kolejnym przybliżeniu?
Kolejnych przybliżeń ADC jest ADC z wyboru w środowisku niskich kosztów w zastosowaniach wysokiej rozdzielczość, rozdzielczość SAR ADC w zakresie od 8 - 18 bitów, a próbki z prędkością do 5 mega próbek na sekundę (MSP). Może być również skonstruowany w małej obudowie o niskim zużyciu energii, dlatego ten typ ADC jest używany w przenośnych przyrządach zasilanych bateryjnie.
Jak sama nazwa wskazuje, ten przetwornik ADC stosuje algorytm wyszukiwania binarnego do konwersji wartości, dlatego wewnętrzne obwody mogą działać z kilkoma MHZ, ale rzeczywista częstotliwość próbkowania jest znacznie mniejsza ze względu na algorytm kolejnych przybliżeń. Więcej na ten temat omówimy w dalszej części tego artykułu.
Praca z kolejną aproksymacją ADC
Zdjęcie na okładce pokazuje podstawowy kolejny obwód ADC aproksymacji. Aby jednak lepiej zrozumieć zasadę działania, użyjemy jej 4-bitowej wersji. Poniższy obraz dokładnie to pokazuje.
Jak widać, ten przetwornik ADC składa się z komparatora, przetwornika cyfrowo-analogowego oraz kolejnego rejestru aproksymacyjnego wraz z obwodem sterującym. Teraz, za każdym razem, gdy rozpoczyna się nowa rozmowa, układ próbkujący i podtrzymujący próbkuje sygnał wejściowy. I ten sygnał jest porównywany z określonym sygnałem wyjściowym przetwornika cyfrowo-analogowego.
Powiedzmy, że próbkowany sygnał wejściowy to 5,8 V. Odniesienie ADC to 10V. Kiedy rozpoczyna się konwersja, kolejny rejestr aproksymacyjny ustawia najbardziej znaczący bit na 1, a wszystkie pozostałe bity na zero. Oznacza to, że wartość wynosi 1, 0, 0, 0, co oznacza, że dla napięcia odniesienia 10 V przetwornik cyfrowo-analogowy wytworzy wartość 5 V, czyli połowę napięcia odniesienia. Teraz napięcie to zostanie porównane z napięciem wejściowym i na podstawie wyjścia komparatora zostanie zmienione wyjście kolejnego rejestru aproksymacyjnego. Poniższy obraz wyjaśni to bardziej. Ponadto możesz spojrzeć na ogólną tabelę referencyjną, aby uzyskać więcej informacji na temat DAC. Wcześniej wykonaliśmy wiele projektów dotyczących przetworników ADC i DAC, możesz je sprawdzić, aby uzyskać więcej informacji.
Oznacza to, że jeśli Vin jest większe niż wyjście przetwornika DAC, najbardziej znaczący bit pozostanie taki, jaki jest, a następny bit zostanie ustawiony na nowe porównanie. W przeciwnym razie, jeśli napięcie wejściowe jest mniejsze niż wartość DAC, najbardziej znaczący bit zostanie ustawiony na zero, a następny bit zostanie ustawiony na 1 dla nowego porównania. Teraz, jeśli zobaczysz poniższy obrazek, napięcie DAC wynosi 5 V i ponieważ jest mniejsze niż napięcie wejściowe, następny bit przed najbardziej znaczącym bitem zostanie ustawiony na jeden, a pozostałe bity zostaną ustawione na zero, ten proces będzie kontynuowany do osiąga wartość najbliższą napięciu wejściowemu.
W ten sposób kolejne przybliżenie przetwornika ADC zmienia się o 1 bit na raz, aby określić napięcie wejściowe i wytworzyć wartość wyjściową. Bez względu na to, jaka będzie wartość w czterech iteracjach, otrzymamy wyjściowy kod cyfrowy z wartości wejściowej. Wreszcie, lista wszystkich możliwych kombinacji dla czterobitowego kolejnego przybliżenia ADC jest pokazana poniżej.
Czas konwersji, szybkość i rozdzielczość kolejnej aproksymacji ADC
Czas konwersji:
Ogólnie możemy powiedzieć, że dla N-bitowego przetwornika ADC zajmie to N cykli zegara, co oznacza, że czas konwersji tego przetwornika ADC będzie:
Tc = N x Tclk
* Tc to skrót od Conversion Time.
W przeciwieństwie do innych przetworników ADC, czas konwersji tego przetwornika ADC jest niezależny od napięcia wejściowego.
Ponieważ używamy 4-bitowego ADC, aby uniknąć efektów aliasingu, musimy pobrać próbkę po 4 kolejnych impulsach zegara.
Szybkość konwersji:
Typowa prędkość konwersji tego typu przetwornika ADC wynosi około 2–5 megapróbek na sekundę (MSPS), ale jest kilka, które mogą osiągnąć nawet 10 (MSPS). Przykładem może być LTC2378 firmy Linear Technologies.
Rozkład:
Rozdzielczość tego typu przetwornika ADC może wynosić około 8-16 bitów, ale niektóre typy mogą sięgać nawet 20 bitów, na przykład ADS8900B firmy Analog Devices.
Zalety i wady sukcesywnego przybliżania ADC
Ten typ ADC ma wiele zalet w porównaniu z innymi. Charakteryzuje się wysoką dokładnością i niskim zużyciem energii, a jednocześnie jest łatwy w użyciu i ma małe opóźnienia. Czas opóźnienia to czas rozpoczęcia akwizycji sygnału i czas, w którym dane są dostępne do pobrania z ADC, zwykle ten czas opóźnienia jest określany w sekundach. Ale również niektóre arkusze danych odnoszą się do tego parametru jako cykli konwersji, w konkretnym ADC, jeśli dane są dostępne do pobrania w jednym cyklu konwersji, możemy powiedzieć, że ma on opóźnienie jednego cyklu konwersacji. A jeśli dane są dostępne po N cyklach, możemy powiedzieć, że mają jeden cykl konwersji. Główną wadą SAR ADC jest złożoność projektowa i koszt produkcji.
Zastosowania SAR ADC
Ponieważ jest to najczęściej używany ADC, jest używany w wielu zastosowaniach, takich jak zastosowania w urządzeniach biomedycznych, które można wszczepić pacjentowi, tego typu ADC są używane, ponieważ zużywa bardzo mniej energii. Ponadto wiele smartwatchów i czujników używało tego typu ADC.
Podsumowując, możemy powiedzieć, że głównymi zaletami tego typu przetworników ADC są niskie zużycie energii, wysoka rozdzielczość, niewielki rozmiar i dokładność. Ten typ charakteru sprawia, że nadaje się do systemów zintegrowanych. Głównym ograniczeniem może być niska częstotliwość próbkowania i części wymagane do zbudowania tego przetwornika ADC, który jest przetwornikiem cyfrowo-analogowym i komparatorem, oba te elementy powinny działać bardzo dokładnie, aby uzyskać dokładny wynik.