4.3 Ацп последовательных приближений
Преобразование сигнала в цифровой код в таких АЦП производится за несколько тактов – последовательно, это и определило их название.
По какому бы алгоритму не производился подбор кода, общей чертой структур таких АЦП является наличие в них цепи уравновешивания, с помощью которой на каждом такте кодирования определяется соотношение аналогового эквивалента (аналоговой меры) подобранного кода и величины входного сигнала. Для преобразования подбираемого цифрового кода в аналоговый эквивалент необходим ЦАП, а для определения их соотношения – компаратор. Эти элементы обязательно входят в состав структуры таких АЦП. Из-за наличия в составе структуры цепи уравновешивания за такими АЦП установилось и другое название – АЦП с уравновешиванием.
Простейшая структура АЦП последовательных приближений показана на рис..
Рис. Уравновешивающий АЦП «цифра за цифрой»
Перед началом кодирования код двоичного счетчика сбрасывается в ноль. При этом устанавливается равным нулю и напряжение на выходе ЦАП, а компаратор соответственно в состояние, разрешающее прохождение импульсов с генератора на счетчик. В дальнейшем с приходом каждого счетного импульса код на выходах счетчика увеличивается на единицу, в соответствии с увеличением этого кода ступенчато растет и напряжение на выходе ЦАП. В момент времени, когда напряжение на выходе ЦАП станет равным или чуть больше входного напряжения состояние компаратора изменится, прохождение импульсов на счетчик прекратится. Если выполняется условие что максимальное напряжение на выходе ЦАП Uцапмах, соответствующее максимальному коду счетчика, равно максимальной величине входного напряжения Uвхмах, то код, зафиксированный на выходах счетчика, будет соответствовать результату кодирования, т.е. равным Nвых(Uвх).
Главным достоинством такого АЦП является его простота. Главным недостатком – то, что время преобразования изменяется в зависимости от величины входного сигнала. Поэтому в цифровых системах управления, где необходима жесткая увязка работы ее составных узлов, время преобразования однозначно принимается за время кодирования Uвхмах или выходной сигнал компаратора рассматривается в качестве сигнала готовности результата кодирования.
Время кодирования таких АЦП в первую очередь определяется количеством разрядов выходного кода (дискретностью кодирования) и временем установки напряжения на выходе ЦАП. При средней разрядности (8-10 двоичных разрядов) и времени установки современных ЦАП в единицы микросекунд время преобразования таких АЦП обычно лежит в пределах от 0,5 до 5 миллисекунд.
Недостатком рассмотренной структуры можно считать и то, что кодирование каждый раз будет занимать много времени, даже если сигнал за время прошедшее с момента предыдущего цикла преобразования изменился незначительно. Однако это определяется самим принципом организации преобразования в такой структуре – подбор нового значения выходного кода начинается каждый раз с нулевого значения.
Последнего можно избежать, если применять следящий алгоритм организации кодирования. Структура следящего уравновешивающего АЦП представлена на рис..
Рис. Уравновешивающий следящий АЦП с реверсивными счетчиками
Перед началом каждого нового измерения выходной код АЦП – код на выходах счетчика, полученный на предыдущем цикле кодирования не сбрасывается, а сохраняется. Напряжение на выходе ЦАП при этом соответствует уровню напряжения, которое преобразовывалось в предыдущем цикле кодирования. По знаку разности этого напряжения и напряжения в момент начала настоящего кодирования определяется, как изменилось (увеличилось или уменьшилось) входное напряжение за это время. Определение полярности разностного напряжения производится компаратором. В рассматриваемой структуре используется реверсивный счетчик. Сигнал компаратора определяет прямой или обратный порядок его счета. Если входное напряжение по сравнению с его уровнем на предыдущем цикле кодирования увеличилось, он должен считать в прямом направлении, если уменьшилось – в обратном. После установки режима счетчика с генератора начинают поступать счетные импульсы. Подача их прекратиться при смене полярности напряжения на компараторе. При этом напряжение на ЦАП с точностью до веса младшего его разряда сравняется с входным напряжением.
Таким образом, за время преобразования отрабатывается лишь разностный сигнал. Если изменения сигнала от одного цикла кодирования до другого незначительны, это существенно уменьшает время получения результата. Однако, т.к. от цикла к циклу приращения входного напряжения могут быть различны, время кодирования от цикла к циклу также будет различным. Поэтому такие АЦП при использовании в измерительных системах также используют с формированием сигнала "готовность данных". Очевидно, что такие АЦП эффективно могут применяться лишь там где кодируемые сигналы "гладкие", не имеющие резких выбросов, иначе все достоинства следящего АЦП и затраты, связанные с его построением, потеряют свой смысл. Необходимо, однако, заметить, что в производстве ход течения самих технологических процессов часто определяет именно такой "гладкий" характер сигналов.
Таким образом, время преобразования таких АЦП, во многом зависит от формы сигнала. Оно может быть существенно меньше, чем для обычного уравновешивающего АЦП, но при достаточно большой разрядности выходного кода, как правило, будет все же относительно большим.
Минимального времени преобразования удается добиться в уравновешивающих АЦП поразрядного кодирования (рис.18.в). Однако это дается за счет применения специальных устройств – регистров последовательных приближений (РПП).
Рис. Уравновешивающий следящий АЦП с РПП
РПП работают в соответствии с алгоритмом поразрядного кодирования. Рассмотрим этот алгоритм. Он состоит из нескольких тактов, число которых равно числу разрядов получаемого кода. В каждом такте определяется значение одного из разрядов. Значения разрядов определяются последовательно, начиная со старшего. Выходной код формируется на выходах РПП. РПП в каждом такте устанавливает в определяемый разряд логическую единицу. Этот код поступает на ЦАП, а аналоговый эквивалент этого кода с выхода ЦАП подается на один из входов компаратора. С помощью этого компаратора оценивается соотношение входного кодируемого напряжения и напряжения, соответствующего подбираемому коду. Если входное напряжение превышает напряжение поступающего с выхода ЦАП, то логическая единица фиксируется в данном разряде на все остальное время кодирования. Если входное напряжение меньше напряжения с ЦАП, значит, вес определяемого разряда в получаемом результате учитываться не должен и этот разряд сбрасывается в ноль. Так последовательно определяются значения всех разрядов.
РПП в последнее время реализуются в виде интегральных микросхем. Быстродействие современных цифровых БИС, к которым относится и РПП, определяет, что время преобразования АЦП поразрядного кодирования определяется в первую очередь лишь временем установления используемого ЦАП.
Способ организации процесса кодирования определяет важное понятие – сходимость алгоритма кодирования.
В процессе преобразования в АЦП поразрядного кодирования входное напряжение уравновешивается напряжением с ЦАП с точностью до половины веса младшего разряда ЦАП. Однако процесс преобразования занимает конечное время и за это время входное напряжение может изменяться. Изменения входного напряжения могут привести к тому, что разряд, установленный на ранних тактах кодирования, по отношению к уровню напряжения, которое установится к концу цикла преобразования, будет определен не правильно. При этом изменение входного напряжения может быть таким, что весов определяемых после этого разрядов уже не хватит, чтобы скомпенсировать такое напряжение. При этом говорят, что процесс преобразования и величина входного напряжения не сходятся. Это приводит к появлению динамических погрешностей второго рода. Величина этих погрешностей будет определяться разностью аналогового эквивалента полученного кода (напряжения на выходе ЦАП) и величины входного напряжения. Ниже будут рассматриваться пути их компенсации за счет введения дополнительных корректирующих разрядов.
Не трудно заметить и другое – организация алгоритма кодирования в простейшем и в следящем АЦП последовательных приближений к появлению таких погрешностей привести не может, Таких погрешностей в этих АЦП не может быть принципиально, т.к. приближение к необходимому значению кода ведется последовательным изменением кода с младших разрядов. Несходимость алгоритмов кодирования может наблюдаться только тогда, когда алгоритм предполагает проведения кодирования начиная со старшего разряда.