Hur fungerar successiv approximation (sar) adc och var används den bäst?

En analog till digital omvandlare (ADC) är en typ av enhet som hjälper oss att bearbeta kaotiska verkliga data i en digital synvinkel. För att förstå verkliga data som temperatur, fuktighet, tryck, position behöver vi givare, alla dessa mäter vissa parametrar och ger oss en elektrisk signal tillbaka i form av spänning och ström. Eftersom majoriteten av våra enheter idag är digitala blir det nödvändigt att konvertera dessa signaler till digitala signaler. Det är där ADC kommer in, även om det finns många olika typer av ADC där ute, men i den här artikeln ska vi prata om en av de mest använda ADC-typerna som kallas den successiva approximationen ADC. I en tidig artikel har vi pratat om grunden för ADC med hjälp av Arduino, du kan kolla in det om du är ny inom elektronik och vill lära dig mer om ADC.

Vad är en successiv approximation ADC?

Den successiv approximation är ADC valt för låg kostnad medelhög till hög upplösning tillämpningar upplösningen för SAR ADCs varierar från 8 - 18 bitar, med prov hastigheter på upp till 5 mega-sampel per sekund (Msps). Det kan också konstrueras i en liten formfaktor med låg strömförbrukning, varför denna typ av ADC används för bärbara batteridrivna instrument.

Som namnet antyder tillämpar denna ADC en binär sökalgoritm för att konvertera värdena, varför den interna kretsen kan gå vid flera MHZ men den faktiska samplingsfrekvensen är mycket mindre på grund av den successiva approximationsalgoritmen. Vi diskuterar mer om det senare i den här artikeln.

Arbeta med successiv approximation ADC

Omslagsbilden visar den grundläggande successiva approximations ADC-kretsen. Men för att förstå arbetsprincipen lite bättre kommer vi att använda en 4-bitarsversion av den. Bilden nedan visar exakt det.

Som du kan se består denna ADC av en komparator, en digital till analog omvandlare och ett successivt approximationsregister tillsammans med styrkretsen. När en ny konversation startar samplar samplings- och hållkretsen ingångssignalen. Och den signalen jämförs med DAC: s specifika utsignal.

Låt oss säga att den samplade ingångssignalen är 5.8V. ADC: s referens är 10V. När konverteringen startar sätter det efterföljande approximationsregistret den mest signifikanta biten till 1 och alla andra bitar till noll. Detta betyder att värdet blir 1, 0, 0, 0, vilket betyder att för en 10V referensspänning kommer DAC att producera ett värde på 5V vilket är hälften av referensspänningen. Nu kommer denna spänning att jämföras med ingångsspänningen och baserat på komparatorutgången kommer utgången från det på varandra följande approximationsregistret att ändras. Bilden nedan kommer att klargöra det mer. Vidare kan du titta på en generisk referensbord för mer information om DAC. Tidigare har vi gjort många projekt på ADC och DAC, du kan kolla in dem för mer information.

Detta betyder att om Vin är större än utgången från DAC, kommer den viktigaste biten att förbli som den är, och nästa bit kommer att ställas in för en ny jämförelse. Annars, om ingångsspänningen är mindre än DAC-värdet, kommer den viktigaste biten att ställas till noll och nästa bit kommer att ställas in på 1 för en ny jämförelse. Nu om du ser bilden nedan är DAC-spänningen 5V och eftersom den är mindre än ingångsspänningen kommer nästa bit innan den mest signifikanta biten att ställas in på en, och andra bitar kommer att ställas till noll, denna process kommer att fortsätta tills värdet närmast ingångsspänningen når.

Så här ändras den på varandra följande approximationen ADC 1 bit åt gången för att bestämma ingångsspänningen och producera utgångsvärdet. Och oavsett vad värdet kan vara i fyra iterationer får vi den digitala utgångskoden från ingångsvärdet. Slutligen visas en lista över alla möjliga kombinationer för en fyra-bitars på varandra följande approximation ADC nedan.

Konverteringstid, hastighet och upplösning av successiv approximation ADC

Omvandlingstid:

Generellt kan vi säga att för en N-bit ADC tar det N klockcykler, vilket innebär att omvandlingstiden för denna ADC kommer att bli-

Tc = N x Tclk

* Tc är kort för Conversion Time.

Och till skillnad från andra ADC är konverteringstiden för denna ADC oberoende av ingångsspänningen.

Eftersom vi använder en 4-bitars ADC, för att undvika aliasing-effekter, måste vi ta ett prov efter fyra på varandra följande klockpulser.

Omvandlingshastighet:

Den typiska omvandlingshastigheten för denna typ av ADC är cirka 2-5 megaprover per sekund (MSPS), men det finns få som kan nå upp till 10 (MSPS). Ett exempel kan vara LTC2378 av Linear Technologies.

Upplösning:

Upplösningen för denna typ av ADC kan vara runt 8 - 16 bitar, men vissa typer kan gå upp till 20 bitar, ett exempel kan vara ADS8900B av Analog Devices.

Fördelar och nackdelar med successiv approximation ADC

Denna typ av ADC har många fördelar jämfört med andra. Den har hög noggrannhet och låg strömförbrukning, medan den är enkel att använda och har låg latens. Latenstiden är tiden för början av signalförvärvet och den tid då data är tillgängliga att hämta från ADC, vanligtvis definieras denna latens i sekunder. Men även vissa datablad hänvisar till denna parameter som konverteringscykler, i en viss ADC om data är tillgängliga att hämta inom en konverteringscykel, kan vi säga att den har en latens för en konversationscykel. Och om data är tillgängliga efter N-cykler kan vi säga att den har en konverteringscykel latens. En stor nackdel med SAR ADC är dess komplexitet och produktionskostnad.

Tillämpningar av SAR ADC

Eftersom detta är en vanligt förekommande ADC används den för många applikationer som användningar i biomedicinska enheter som kan implanteras i patienten, dessa typer av ADC används eftersom de förbrukar mycket mindre ström. Många smartklockor och sensorer använde också denna typ av ADC.

Sammanfattningsvis kan vi säga att de främsta fördelarna med denna typ av ADC är låg strömförbrukning, hög upplösning, liten formfaktor och noggrannhet. Denna typ av karaktär gör den lämplig för integrerade system. Huvudbegränsningen kan vara dess låga samplingshastighet och de delar som krävs för att bygga denna ADC, som är en DAC, och en komparator, båda måste behöva arbeta mycket exakt för att få ett exakt resultat.