АЦП последовательного приближения.

В основе метода последовательного приближения или, как его еще называют, поразрядного уравновешивания лежит принцип сравнения амплитуды входного аналогового сигнала с сумой различных по значению мер. Число таких мер равно числу разрядов АЦП, а их значения пропорциональны отдельным разрядам двоичного кода. Мера с самым большим значением напряжения соответствует старшему разряду кода, а с самым малым – младшему. Причем значение каждой следующей меры вдвое меньше значения предыдущей. Сумма значений всех мер соответствует величине максимального входного напряжения АЦП. Просуммировав только те меры, общее значение которых совпадет с напряжением входного сигнала, на выходе АЦП установится соответствующий этим значениям двоичный код. В этом плане метод поразрядного уравновешивания очень напоминает процесс взвешивания на коромысельных весах путем их уравновешивания необходимым количеством гирь. Схема АЦП последовательного приближения приведена на рис. 10.8,а.

Элементы DD2…DD4 образуют так называемый регистр последовательных приближений. Преобразование начинается с выставления короткого единичного импульса на входе «Start» (момент времени t₁ рис.10.8,б). По этому сигналу осуществляется установка в единичное состояние RS-триггера DD4.0 самого старшего разряда D_n-1 выходного кода. Триггеры DD4.1…DD4.n-1 остальных разрядов D_n-2…D₀ через элементы ИЛИ DD3.1…DD3.n-1 сбрасываются в нулевое состояние. Таким образом, на входе ЦАП DА2 фиксируется код с единицей в самом старшем разряде и нулями в остальных разрядах. Передним фронтом импульса тактового генератора GN единичный уровень сигнала «Start» записывается в младший разряд Q₀ последовательного регистра DD1, который в свою очередь открывает вентиль И DD2.0. Если значение выходного напряжения с ЦАП превышает или равняется амплитуде входного сигнала, т.е. выполняется условие U_{вых.ЦАП}³U_вх, то на выходе компаратора DA1 формируется логическая единица, которая проходит через открытый вентиль И DD2.0 на вход сброса R триггера DD4.0 и устанавливает его в нулевое состояние. В самом старшем разряде выходного кода формируется логический ноль. Если выходное напряжение с ЦАП оказывается меньше амплитуды входного сигнала, т.е. выполняется U_{вых.ЦАП}<U_вх, то на выходе компаратора формируется логический ноль, элемент DD2.0 закрывается и триггер DD4.0 сохраняет единичное состояние.

Рис. 10.8. Схема (а) и временная диаграмма работы (б) АЦП последовательного приближения.

Вторым тактовым импульсом осуществляется сдвиг единицы в регистре из разряда Q₀ в разряд Q₁. Сигнал «Start» при этом должен быть сброшен в ноль. Тогда в разряде Q₀ регистра формируется логический ноль. Элемент DD2.0 закрывается, а элемент DD2.1 открывается. Триггер DD4.0 оказывается лишенным каких-либо воздействий и сохраняет сформированное значение старшего разряда двоичного кода. Логическая единица с выхода Q₁ регистра подается на вход установки S триггера DD4.1 и устанавливает его в единичное состояние. На входе ЦАП формируется новый код с сохраненным значением старшего разряда D_n-1 и установленным единичным значением разряда D_n-2. Новое сформированное напряжение с выхода ЦАП поступает на компаратор. При этом, если выполняется условие U_{вых.ЦАП}³U_вх, то на выходе компаратора вновь формируется логическая единица, которая проходит через элементы DD2.1 и DD3.1 и сбрасывает триггер DD4.1 в нулевое состояние. Если U_{вых.ЦАП}<U_вх, компаратор формирует напряжение логического нуля и триггер сохраняет установленное единичное состояние. Таким образом, триггер DD4.1 фиксирует значение разряда D_n-2. Процесс будет продолжаться в сторону убывания разрядов D_i до тех пор, пока не сформируются значения всех разрядов выходного двоичного кода (момент времени t₂).

Очевидно, что время преобразования t_c=t₂-t₁ определяется только частотой следования импульсов тактового генератора и количеством разрядов выходного кода. При этом от формы входного аналогового сигнала это время не зависит, т.е. оно постоянно. Поэтому для определения момента завершения преобразования можно просто воспользоваться техническими характеристиками АЦП. Тем не менее, для облегчения синхронизации работы АЦП с другими устройствами предусмотрен выходной управляющий сигнал «Busy», формируемый триггером DD5. Для установки этого сигнала в единичное состояние импульсом «Start» в момент запуска преобразования триггер DD5 устанавливается в единицу. По последнему n-му тактовому импульсу единица сдвинется на выход Q_n-1 регистра DD1 и начнется процесс формирования значения последнего младшего разряда двоичного кода. Поскольку для завершения этого процесса требуется некоторый фиксированный промежуток времени, логическую единицу с выхода Q_n-1 регистра на вход R триггера DD5 необходимо подать через элемент задержки DL с соответствующей величиной времени задержки. Это приведет к формированию нулевого уровня сигнала «Busy», являющегося признаком завершения преобразования.