- Was ist ein ADC mit sukzessiver Approximation?
- Arbeiten mit ADC mit sukzessiver Approximation
- Konvertierungszeit, Geschwindigkeit und Auflösung des ADC für sukzessive Approximation
- Vor- und Nachteile der ADC mit sukzessiver Approximation
- Anwendungen von SAR ADC
Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) ist ein Gerätetyp, mit dem wir die chaotischen Daten der realen Welt unter digitalen Gesichtspunkten verarbeiten können. Um reale Daten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck und Position zu verstehen, benötigen wir Wandler, die alle bestimmte Parameter messen und uns ein elektrisches Signal in Form von Spannung und Strom zurückgeben. Da die meisten unserer Geräte heutzutage digital sind, müssen diese Signale in digitale Signale umgewandelt werden. Hier kommt der ADC ins Spiel, obwohl es viele verschiedene Arten von ADCs gibt, aber in diesem Artikel werden wir über einen der am häufigsten verwendeten ADC-Typen sprechen, die als ADC mit sukzessiver Approximation bekannt sind. In einem frühen Artikel haben wir mit Hilfe von Arduino über die Grundlagen von ADC gesprochen. Sie können dies überprüfen, wenn Sie neu in der Elektronik sind und mehr über ADC erfahren möchten.
Was ist ein ADC mit sukzessiver Approximation?
Der ADC mit sukzessiver Approximation ist der ADC der Wahl für kostengünstige Anwendungen mit mittlerer bis hoher Auflösung. Die Auflösung für SAR-ADCs reicht von 8 bis 18 Bit bei Abtastgeschwindigkeiten von bis zu 5 Mega-Samples pro Sekunde (Msps). Es kann auch in einem kleinen Formfaktor mit geringem Stromverbrauch konstruiert werden, weshalb dieser ADC-Typ für tragbare batteriebetriebene Instrumente verwendet wird.
Wie der Name schon sagt, wendet dieser ADC einen binären Suchalgorithmus an, um die Werte zu konvertieren, weshalb die interne Schaltung möglicherweise mit mehreren MHz ausgeführt wird, die tatsächliche Abtastrate jedoch aufgrund des Algorithmus für die sukzessive Approximation viel geringer ist. Wir werden später in diesem Artikel mehr darüber diskutieren.
Arbeiten mit ADC mit sukzessiver Approximation
Das Titelbild zeigt die grundlegende ADC-Schaltung mit sukzessiver Approximation. Um das Funktionsprinzip ein wenig besser zu verstehen, werden wir eine 4-Bit-Version davon verwenden. Das Bild unten zeigt genau das.
Wie Sie sehen können, besteht dieser ADC aus einem Komparator, einem Digital-Analog-Wandler und einem sukzessiven Approximationsregister zusammen mit der Steuerschaltung. Wenn nun ein neues Gespräch beginnt, tastet die Abtast- und Halteschaltung das Eingangssignal ab. Und dieses Signal wird mit dem spezifischen Ausgangssignal des DAC verglichen.
Nehmen wir nun an, das abgetastete Eingangssignal beträgt 5,8 V. Die Referenz des ADC ist 10V. Wenn die Umwandlung beginnt, setzt das sukzessive Approximationsregister das höchstwertige Bit auf 1 und alle anderen Bits auf Null. Dies bedeutet, dass der Wert 1, 0, 0, 0 wird, was bedeutet, dass der DAC für eine 10-V-Referenzspannung einen Wert von 5 V erzeugt, was der Hälfte der Referenzspannung entspricht. Diese Spannung wird nun mit der Eingangsspannung verglichen und basierend auf dem Komparatorausgang wird der Ausgang des sukzessiven Approximationsregisters geändert. Das Bild unten wird es mehr verdeutlichen. Weitere Informationen zum DAC finden Sie in einer allgemeinen Referenztabelle. Zuvor haben wir viele Projekte zu ADCs und DACs durchgeführt. Weitere Informationen finden Sie in diesen.
Dies bedeutet, wenn Vin größer als der Ausgang des DAC ist, bleibt das höchstwertige Bit unverändert und das nächste Bit wird für einen neuen Vergleich gesetzt. Wenn andernfalls die Eingangsspannung kleiner als der DAC-Wert ist, wird das höchstwertige Bit auf Null gesetzt und das nächste Bit für einen neuen Vergleich auf 1 gesetzt. Wenn Sie nun das folgende Bild sehen, beträgt die DAC-Spannung 5 V, und da sie kleiner als die Eingangsspannung ist, wird das nächste Bit vor dem höchstwertigen Bit auf Eins und die anderen Bits auf Null gesetzt. Dieser Vorgang wird bis zum fortgesetzt Wert, der der Eingangsspannung am nächsten kommt.
Auf diese Weise ändert sich der ADC mit sukzessiver Approximation jeweils um 1 Bit, um die Eingangsspannung zu bestimmen und den Ausgangswert zu erzeugen. Und was auch immer der Wert in vier Iterationen sein mag, wir erhalten den digitalen Ausgabecode aus dem Eingabewert. Schließlich ist unten eine Liste aller möglichen Kombinationen für einen ADC mit sukzessiver 4-Bit-Approximation gezeigt.
Konvertierungszeit, Geschwindigkeit und Auflösung des ADC für sukzessive Approximation
Umwandlungszeit:
Im Allgemeinen können wir sagen, dass für einen N-Bit-ADC N Taktzyklen benötigt werden, was bedeutet, dass die Konvertierungszeit dieses ADC wird.
Tc = N x Tclk
* Tc steht für Conversion Time.
Und im Gegensatz zu anderen ADCs ist die Umwandlungszeit dieses ADC unabhängig von der Eingangsspannung.
Da wir einen 4-Bit-ADC verwenden, müssen wir nach 4 aufeinanderfolgenden Taktimpulsen eine Probe entnehmen, um Aliasing-Effekte zu vermeiden.
Conversion-Geschwindigkeit:
Die typische Konvertierungsgeschwindigkeit dieses ADC-Typs liegt bei 2 bis 5 Mega Samples Per Seconds (MSPS), aber es gibt nur wenige, die bis zu 10 (MSPS) erreichen können. Ein Beispiel wäre LTC2378 von Linear Technologies.
Auflösung:
Die Auflösung dieses ADC-Typs kann zwischen 8 und 16 Bit liegen, einige Typen können jedoch bis zu 20 Bit betragen. Ein Beispiel ist ADS8900B von Analog Devices.
Vor- und Nachteile der ADC mit sukzessiver Approximation
Diese Art von ADCs hat viele Vorteile gegenüber anderen. Es hat eine hohe Genauigkeit und einen geringen Stromverbrauch, ist einfach zu bedienen und hat eine geringe Latenzzeit. Die Latenzzeit ist die Zeit des Beginns der Signalerfassung und die Zeit, zu der die Daten zum Abrufen vom ADC verfügbar sind. Typischerweise wird diese Latenzzeit in Sekunden definiert. Einige Datenblätter bezeichnen diesen Parameter jedoch auch als Konvertierungszyklen. Wenn in einem bestimmten ADC die Daten zum Abrufen innerhalb eines Konvertierungszyklus verfügbar sind, kann man sagen, dass er eine Latenzzeit von einem Konversationszyklus aufweist. Und wenn die Daten nach N Zyklen verfügbar sind, können wir sagen, dass sie eine Latenz von einem Konvertierungszyklus haben. Ein Hauptnachteil von SAR ADC ist die Komplexität des Designs und die Produktionskosten.
Anwendungen von SAR ADC
Da dies ein am häufigsten verwendeter ADC ist, wird er für viele Anwendungen verwendet, z. B. für biomedizinische Geräte, die in den Patienten implantiert werden können. Diese ADC-Typen werden verwendet, weil sie sehr viel weniger Strom verbrauchen. Auch viele Smartwatches und Sensoren verwendeten diesen ADC-Typ.
Zusammenfassend können wir sagen, dass die Hauptvorteile dieses ADC-Typs ein geringer Stromverbrauch, eine hohe Auflösung, ein kleiner Formfaktor und Genauigkeit sind. Diese Art von Charakter macht es für integrierte Systeme geeignet. Die Hauptbeschränkung kann die niedrige Abtastrate und die Teile sein, die zum Aufbau dieses ADC, eines DAC, und eines Komparators erforderlich sind. Beide sollten sehr genau arbeiten müssen, um ein genaues Ergebnis zu erhalten.