Ацп по методу последовательных приближений
Рассмотрим подробнее работу АЦП с поразрядным взвешиванием (рис.4.4). В его состав входят: 1) регистр последовательных приближений (РПП), 2) ЦАП, 3) компаратор, 4) выходной регистр для хранения результатов квантования, 5) система синхронизации вместе с тактовым генератором для упорядочивания работы всей схемы.
Работа АЦП начинается с установления единичного уровня в самом старшем разряде (СЗР) РПП. Так как выход этого регистра соединен с входами ЦАП, то появление “1” в СЗР приводит к появлению на выходе ЦАП напряжения равного половине наибольшего напряжения (половине полной шкалы АЦП). Затем, в зависимости от результатов сравнения напряжения на выходе ЦАП с входным измеряемым напряжением, единица в СЗР либо сохраняется (если входное напряжение больше напряжения на выходе ЦАП), либо инвертируется (в противном случае). Это позволяет продолжить поиск “ответа” либо в “верхней”, либо в “нижней” половинке полной шкалы измеряемых напряжении.
В следующем такте работы АЦП подобные манипуляции производятся с ближайшим к СЗР младшим разрядом, что приводит к сужению области поиска уже в четыре раза относительно полной шкалы. Так продолжается до тех пор, пока не будут проверены все разряды РПП вплоть до МЗР. Окончательные результаты оцифровки записываются в выходной регистр.
Ввиду того, что в схемах таких АЦП используется только один компаратор, то досрочного выхода из циклов с поразрядным взвешиванием в случае равенства (с заданной точностью) измеряемого напряжения половине (четверти и т.д.) полной шкалы ЦАП не предусмотрено. Поэтому время преобразования на АЦП такого типа будет строго фиксированной величиной прямо пропорциональной количеству разрядов и тактовой частоте (определяемой быстродействием ЦАП и компаратора).
На рис.4.5 а показана осциллограмма напряжения на выходе ЦАП, входящего в состав восьмиразрядного АЦП последовательного приближения. Подумать, какой сигнал надо подать на входы этого АЦП и как настроить развертку осциллографа, чтобы на выходе ЦАП можно было наблюдать картинку, изображенную на рис.4.5 б? Обратите внимание на то, что “светимость” линий убывает слева на право.
Рис.4.5. Сигналы на выходе 8-разрядного ЦАП: а) в течение одного цикла последовательных приближений [внизу тактовые импульсы]; б) “дерево” состояний [см. вопрос в тексте] |
Необходимо отметить, что алгоритм работы (достаточно длительное время преобразования) предполагает наличие в интерфейсе АЦП дополнительных (по отношению к АЦП с параллельным кодированием) выводов:
1. “Начало преобразования”,
2. “Конец преобразования”
По первому выводу внешнее устройство запускает АЦП, а по второму узнает о завершении процесса квантования. Благодаря выходному регистру внешнему устройству “виден” только конечный результат оцифровки, который сменяется только по сигналу “Конец преобразования”.
В виде законченных узлов, не требующих дополнительных внешних элементов, отечественной промышленностью выпускаются следующие микросхемы (в скобках указаны количество разрядов, время преобразования, потребляемая мощность соответственно): К572ПВ4, (8р, 32мкс, 20мВт), К1113ПВ1 (10р, 30мкс, 150мВт), К1108ПВ1 (10р, 0.9мкс, 700мВт). Значительное сокращение времени преобразования в последней микросхеме К1108ПВ1 достигнуто за счет применения внутри микросхемы более быстродействующей ЭСЛ-логики. До появления этой микросхемы потребителям недорогих АЦП с временем преобразования меньшим 50 мкс необходимо было собирать их самим. Центральным элементом таких АЦП являлась ТТЛ-микросхема К155ИР17. Это регистр последовательных приближений (РПП), работа которого будет рассмотрена позднее.