Введение
Тип аналогового цифрового преобразователя Последовательный приблизительный преобразователь (ADC) - это тип аналогового цифрового преобразователя (ADC), который преобразует непрерывную аналоговую волновую форму в дискретную цифровую репрезентацию с помощью бинарного поиска через все возможные уровни квантования, прежде чем, наконец, достичь цифрового вывода для каждого преобразования.
A successive approximation ADC is a type of analog to digital converter (ADC) that converts a continuous analog waveform into a discrete digital representation using a binary search through all possible quantization levels before finally converging upon a digital output for each conversion.
Примеры
Пример 1: десять шагов для преобразования аналогового входа в 10-битный цифровой, используя последовательное приближение, показаны здесь для всех напряжений от 5 В до 0 В в итерациях 0,1 В. Поскольку эталонное напряжение 5 В, когда входное напряжение также 5 В, все биты установлены. Поскольку напряжение снижается до 4,9 В, очищаются только некоторые из наименее значимых битов. MSB будет оставаться настраиваемым до тех пор, пока вход не составит половину эталонного напряжения, 2,5 В. Бинарные веса, присвоенные каждому биту, начиная с MSB, составляют 2,5, 1,25, 0,625, 0,3125, 0,15625, 0,078125, 0,0390625, 0,01953125, 0,009765625, 0,0048828125. Все это составляет 4.9951171875, что означает двоичный 1111111111, или один LSB меньше 5. Когда аналоговый вход сравнивается с внутренним выходом DAC, он эффективно сравнивается с каждым из этих двоичных весов, начиная с 2,5 В и либо сохраняя его, либо очищая его в результате. Затем, добавив следующий вес к предыдущему результату, сравнив снова и повторяя, пока все биты и их веса не будут сравниваться с входом, результат, двоичное число, представляющее аналоговый вход, найден. Пример 2: Работа 4-битного последовательного приближения ADC показана ниже. Первоначально MSB устанавливается на 1, а остальные цифры - на 0. Если входное напряжение ниже значения, сохраненного в регистре, на следующем цикле часов регистр меняет свое значение на показание на рисунке, следуя зеленой линии. Если входное напряжение выше, то на следующем цикле часов регистр меняет свое значение на показано на рисунке, следуя красной линии. Упрощенная структура этого типа АДЦ, который действует на 1=2^(n) вольт диапазоне может быть выражена как алгоритм: инициализировать регистр с MSB на 1 и все другие значения на нуле. В n-м тактовом цикле, если напряжение выше, чем цифровое эквивалентное напряжение числа в регистре, цифра (n+1) слева от левой устанавливается на 1. Если напряжение было ниже, чем цифровое эквивалентное напряжение, то n-я цифра слева устанавливается на ноль, а следующая цифра устанавливается на 1. Для выполнения преобразования N-битному АДЦ требуется N таких тактовых циклов, исключая начальное состояние. Последовательное приближение ADC может быть объяснено, в качестве альтернативы, путем первоначального однородного присвоения каждому цифровому выводу соответствующих диапазонов, как показано на рисунке. Можно увидеть, что алгоритм по существу разделяет диапазон напряжения на две области и проверяет, к какой из двух областей относится входное напряжение. Последующие шаги включают в себя выделение выявленного региона из предыдущего и дальнейшее разделение региона на два и продолжение идентификации. Это происходит до тех пор, пока не исчерпаны все возможные варианты цифровых представлений, оставляя за собой идентифицированную область, которая соответствует только одному из цифровых представлений.
The binary weights assigned to each bit, starting with the MSB, are 2.5, 1.25, 0.625, 0.3125, 0.15625, 0.078125, 0.0390625, 0.01953125, 0.009765625, 0.0048828125. All of these add up to 4.9951171875, meaning binary 1111111111, or one LSB less than 5. When the analog input is being compared to the internal DAC output, it effectively is being compared to each of these binary weights, starting with the 2.5 V and either keeping it or clearing it as a result. Then by adding the next weight to the previous result, comparing again, and repeating until all the bits and their weights have been compared to the input, the result, a binary number representing the analog input, is found. Example 2: The working of a 4 bit successive approximation ADC is illustrated below. The MSB is initially set to 1 whereas the remaining digits are set to zero. If the input voltage is lower than the value stored in the register, on the next clock cycle, the register changes its value to that illustrated in the figure by following the green line. If the input voltage is higher, then on the next clock cycle, the register changes its value to that illustrated in the figure by following the red line. The simplified structure of this type of ADC that acts on 1=2^(n) volts range can be expressed as an algorithm:
Initialize register with MSB set to 1 and all other values set to zero. In n th clock cycle, if voltage is higher than digital equivalent voltage of the number in register, the (n+1) th digit from the left is set to 1. If the voltage were lower than digital equivalent voltage, then n th digit from left is set to zero and the next digit is set to 1. To perform a conversion, an N bit ADC requires N such clock cycles excluding the initial state. The successive approximation ADC can be alternatively explained by first uniformly assigning each digital output to corresponding ranges as shown. It can be seen that the algorithm essentially divides the voltage range into two regions and checks which of the two regions the input voltage belongs to. Successive steps involve taking the identified region from before and further dividing the region into two and continuing identification. This occurs until all possible choices of digital representations are exhausted, leaving behind an identified region that corresponds to only one of the digital representations.
Варианты
Конвертор типа ADC: Конвертор D-A может быть легко перевернут, чтобы обеспечить обратную функцию преобразования A-D. Принцип состоит в том, чтобы настроить входный код DAC до тех пор, пока выход DAC не будет в LSB к аналоговому входу, который должен быть преобразован в бинарную цифровую форму. Серво-следующий АДЦ: Это улучшенная версия счетного АДЦ. Схема состоит из счетчика "вверх-вниз", где компаратор контролирует направление подсчета. Аналоговый выход КПК сравнивается с аналоговым входом. Если входный сигнал больше, чем выходный сигнал DAC, выходный сигнал компаратора становится высоким, и счетчик начинает подсчитывать. У ADC-диспетчера есть преимущество в том, что он прост. Недостатком, однако, является время, необходимое для стабилизации, поскольку новое значение преобразования прямо пропорционально скорости изменения аналогового сигнала.
Перераспределение заряда - последовательное сближение ADC
Одной из наиболее распространенных реализаций последовательного приближения ADC, последовательного приближения перераспределения заряда ADC, используется масштабирующий заряд DAC. "Диаметрический конденсатор" с масштабированием заряда состоит из множества индивидуально переключаемых двойных весовых конденсаторов. Количество заряда на каждом конденсаторе в массиве используется для выполнения вышеупомянутого бинарного поиска в сочетании с внутренним компаратором в DAC и последовательным регистром приближения. Конденсаторная сеть полностью разряжена на смещенное напряжение сравнительного устройства, VOS. Этот шаг обеспечивает автоматическое отмена смещения (т. е. смещение напряжения представляет собой не что иное, как мертвый заряд, который не может быть жонглирован конденсаторами). Все конденсаторы в массиве переключаются на входный сигнал Vin. Теперь у конденсаторов заряд равен их соответствующей емкости, умноженной на входное напряжение минус смещение напряжения на каждом из них. Конденсаторы затем переключаются так, что этот заряд наносится на входный вход сравнительного устройства, создавая входный напряжение сравнительного устройства, равное −Vin. Процесс преобразования продолжается. Сначала конденсатор MSB переключается на Vref, который соответствует полному диапазону масштаба ADC. Из-за бинарного взвешивания массива конденсатор MSB образует делитель заряда 1: 1 с остальной частью массива. Таким образом, входное напряжение для сравнительного устройства теперь равняется Впоследствии, если Vin больше, чем Vref/2, то сравнительный прибор выводит цифру 1 в качестве MSB, в противном случае он выводит цифру 0 в качестве MSB. Каждый конденсатор проверяется таким же образом, пока входное напряжение сравнительного устройства не сблизится с смещенным напряжением или, по крайней мере, как можно ближе к нему с учетом разрешения КПД.
Использование с неидеальными аналоговыми схемами
При реализации в качестве аналоговой схемы, где значение каждого последовательного бита не является совершенно 2^{\displaystyle 2^{\text{N}}) (например, 1.1, 2.12, 4.05, 8.01, и т.д.) последовательный подход к приближению может не выводить идеальное значение, потому что алгоритм бинарного поиска неправильно удаляет то, что, по его мнению, является половиной значений, которые не могут быть неизвестными вводом. В зависимости от разницы между фактической и идеальной производительностью, максимальная ошибка может легко превышать несколько LSB, особенно когда ошибка между фактической и идеальной 2 ^ ((N) становится большой для одного или нескольких битов. Поскольку фактический вход неизвестен, очень важно, чтобы точность аналоговой схемы, используемой для реализации SAR ADC, была очень близка к идеальным значениям 2 ^ ((N); в противном случае она не может гарантировать поиск наилучшего совпадения.