Cum funcționează aproximarea succesivă (sar) ADC și unde este cel mai bine folosit?

Un convertor analog la digital (ADC) este un tip de dispozitiv care ne ajută să procesăm datele haotice din lumea reală într-un punct de vedere digital. Pentru a înțelege datele din lumea reală, cum ar fi temperatura, umiditatea, presiunea, poziția, avem nevoie de traductoare, toate acestea măsoară anumiți parametri și ne oferă un semnal electric înapoi sub formă de tensiune și curent. Întrucât majoritatea dispozitivelor noastre din zilele noastre sunt digitale, devine necesar să convertim aceste semnale în semnale digitale. Aici intervine ADC, deși există multe tipuri diferite de ADC, dar în acest articol, vom vorbi despre unul dintre cele mai utilizate tipuri de ADC, cunoscute sub numele de aproximare succesivă ADC. Într-un articol timpuriu, am vorbit despre baza ADC cu ajutorul Arduino, puteți verifica dacă sunteți nou în domeniul electronicii și doriți să aflați mai multe despre ADC.

Ce este un ADC cu aproximare succesivă?

Succesiva Apropierea ADC este ADC de alegere pentru mediu low-cost pentru aplicații cu rezoluție ridicată, rezoluția pentru SAR aghiotanți variază între 8 - 18 biți, cu viteze de probă până la 5 mega eșantioane pe secundă (MSPS). De asemenea, poate fi construit într-un factor de formă mic, cu un consum redus de energie, motiv pentru care acest tip de ADC este utilizat pentru instrumentele portabile alimentate cu baterii.

După cum sugerează și numele, acest ADC aplică un algoritm de căutare binară pentru a converti valorile, motiv pentru care circuitele interne pot rula la mai mulți MHZ, dar rata de eșantionare reală este mult mai mică datorită algoritmului de aproximare succesivă. Discutăm mai multe despre aceasta mai târziu în acest articol.

Funcționarea cu aproximare succesivă ADC

Imaginea de copertă prezintă circuitul ADC de aproximare succesivă de bază. Dar pentru a înțelege un pic mai bine principiul de lucru, vom folosi o versiune pe 4 biți a acestuia. Imaginea de mai jos arată exact asta.

După cum puteți vedea, acest ADC constă dintr-un comparator, un convertor digital în analog și un registru de aproximare succesiv împreună cu circuitul de control. Acum, ori de câte ori începe o conversație nouă, eșantionarea și menținerea circuitului eșantionează semnalul de intrare. Și semnalul respectiv este comparat cu semnalul specific de ieșire al DAC.

Acum să spunem, semnalul de intrare eșantionat este de 5,8V. Referința ADC este de 10V. Când începe conversia, registrul de aproximare succesiv setează bitul cel mai semnificativ la 1 și toți ceilalți biți la zero. Aceasta înseamnă că valoarea devine 1, 0, 0, 0, ceea ce înseamnă că, pentru o tensiune de referință de 10V, DAC va produce o valoare de 5V, care este jumătate din tensiunea de referință. Acum această tensiune va fi comparată cu tensiunea de intrare și pe baza ieșirii comparatorului, ieșirea registrului de aproximare succesiv va fi modificată. Imaginea de mai jos o va clarifica mai mult. În plus, puteți consulta un tabel de referință generic pentru mai multe detalii despre DAC. Anterior am realizat multe proiecte pe ADC-uri și DAC-uri, le puteți verifica pentru mai multe informații.

Aceasta înseamnă că dacă Vin este mai mare decât ieșirea DAC, bitul cel mai semnificativ va rămâne așa cum este, iar bitul următor va fi setat pentru o nouă comparație. În caz contrar, dacă tensiunea de intrare este mai mică decât valoarea DAC, bitul cel mai semnificativ va fi setat la zero, iar următorul bit va fi setat la 1 pentru o nouă comparație. Acum, dacă vedeți imaginea de mai jos, tensiunea DAC este de 5V și, deoarece este mai mică decât tensiunea de intrare, următorul bit înainte de cel mai semnificativ bit va fi setat la unul, iar alți biți vor fi la zero, acest proces va continua până când valoarea cea mai apropiată de tensiunea de intrare ajunge.

Acesta este modul în care aproximarea ADC succesivă se schimbă 1 bit pe rând pentru a determina tensiunea de intrare și pentru a produce valoarea de ieșire. Și oricare ar fi valoarea în patru iterații, vom obține codul digital de ieșire din valoarea de intrare. În cele din urmă, o listă a tuturor combinațiilor posibile pentru o ADC de aproximare succesivă pe patru biți este prezentată mai jos.

Timp de conversie, viteză și rezoluție de aproximare succesivă ADC

Timp de conversie:

În general, putem spune că pentru un ADC N bit, va dura N cicluri de ceas, ceea ce înseamnă că timpul de conversie al acestui ADC va deveni-

Tc = N x Tclk

* Tc este prescurtarea timpului de conversie.

Și spre deosebire de alte ADC-uri, timpul de conversie al acestui ADC este independent de tensiunea de intrare.

Deoarece folosim un ADC pe 4 biți, pentru a evita efectele de aliasing, trebuie să luăm un eșantion după 4 impulsuri de ceas consecutive.

Viteza de conversie:

Viteza de conversie tipică a acestui tip de ADC este de aproximativ 2 - 5 megapreziuni pe secundă (MSPS), dar sunt puține care pot ajunge până la 10 (MSPS). Un exemplu ar fi LTC2378 de Linear Technologies.

Rezoluţie:

Rezoluția acestui tip de ADC poate fi în jur de 8 - 16 biți, dar unele tipuri pot merge până la 20 de biți, un exemplu poate fi ADS8900B de la Analog Devices.

Avantajele și dezavantajele aproximării succesive ADC

Acest tip de ADC are multe avantaje față de altele. Are o precizie ridicată și un consum redus de energie, în timp ce este ușor de utilizat și are un timp de latență scăzut. Timpul de latență este timpul de la începutul achiziției semnalului și timpul când datele sunt disponibile pentru preluarea de la ADC, de obicei acest timp de latență este definit în secunde. Dar, de asemenea, unele fișe tehnice se referă la acest parametru drept cicluri de conversie, într-un anumit ADC dacă datele sunt disponibile pentru preluare într-un ciclu de conversie, putem spune că are o latență a unui ciclu de conversație. Și dacă datele sunt disponibile după N cicluri, putem spune că are o latență a unui ciclu de conversie. Un dezavantaj major al SAR ADC este complexitatea sa de proiectare și costul de producție.

Aplicații ale SAR ADC

Deoarece acesta este un ADC cel mai frecvent utilizat, este utilizat pentru multe aplicații, cum ar fi utilizările în dispozitive biomedicale care pot fi implantate la pacient, aceste tipuri de ADC sunt utilizate deoarece consumă foarte puțină energie. De asemenea, multe ceasuri inteligente și senzori au folosit acest tip de ADC.

În rezumat, putem spune că principalele avantaje ale acestui tip de ADC sunt consumul redus de energie, rezoluția ridicată, factorul de formă mic și precizia. Acest tip de caracter îl face potrivit pentru sisteme integrate. Principala limitare poate fi rata de eșantionare scăzută și părțile necesare pentru a construi acest ADC, care este un DAC și un comparator, ambele ar trebui să lucreze foarte precis pentru a obține un rezultat precis.