Опорна напруга та вихідне слово АЦП.

8-бітний АЦП представляє аналоговий сигнал цифровим словом. Старший значущий біт цього слова (біт 7) показує, чи вище вхідна напруга, ніж V_REF/2 (2,5 В при VREF = 5 В). Кожен наступний біт (від біта 6 до біта 0, який буде молодшим значущим бітом – least significant bit, LSB) представляє половину значення попереднього, як показано в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 – Представлення аналогового входу цифровим словом

Так, маючи цифрове слово 0010 1100, можна визначити величину напруги (таблиця 1.4).

Таблиця 1.4 – Відповідність цифрового слова певним значенням

Додавши напругу, що відповідає кожному одиничному біту, отримуємо реальну напругу (формула 1.4).

                  (1.4)

Визначення роздільної здатності АЦП.

Роздільна здатність АЦП визначається опорною напругою і розрядністю слова. Роздільна здатність – це найменша  напруга, яка може бути виміряна АЦП і визначає точність перетворення. Роздільна здатність – це найменший крок і може бути визначена діленням V_REF на число можливих величин перетворення.

Наприклад, для 8-бітного АЦП з V_REF = 5 В, роздільна здатність дорівнює 0,0195 В (19,5 мВ). Це означає, що будь-яка вхідна напруга менше 19,5 мВ дасть на виході 0. Вхідна напруга між 19,5 і
39 мВ призведе до 1 на виході. Між 39 і 58,6 мВ – до 2 і так далі. Роздільна здатність може бути покращена зменшенням V_REF. Зміна V_REF з 5 до 2,5 В дасть роздільну здатність 2,5/256 або 9,7 мВ. Проте максимальна напруга вимірювання тепер складе не 5, а 2,5 В.

Є лише один шлях збільшення роздільної здатності без зміни опорної напруги – використання АЦП з більшою розрядністю слова. Так 10-бітовий АЦП з опорною напругою 5 В має 2¹⁰, або 1024 можливих вихідних двійкових кодів. Роздільна здатність складе 5 В/1024 або 4,88 мВ.

Слідкуючий АЦП.

Слідкуючий АЦП складається з компаратора, реверсивного лічильника, керованого компаратором, і ЦАП. Компаратор порівнює вхідну напругу з вихідною напругою ЦАП і керує напрямком лічби реверсивного лічильника (+/-). Якщо вхідна напруга більша, ніж напруга ЦАП, лічильник під дією тактових імпульсів, що поступають на його вхід (рисунок 9,а) рахує на додавання (+), якщо ж менше напруги ЦАП, лічильник рахує на віднімання (-).

Вхід ЦАП з’єднаний з виходом лічильника. Припустимо V_REF = 5 В. Це означає, що перетворювач зможе працювати в діапазоні вхідної напруги 0...5 В. Якщо старший значущий біт вхідного слова ЦАП дорівнює 1, то V_ЦАП = 2,5 В. Якщо наступний біт дорівнює 1, додається 1,25 В, в результаті встановлюється 3,75 В. Кожен наступний біт додає половину вихідної напруги, що відповідає попередньому біту. Таким чином, вхідні біти ЦАП відповідають певній напрузі (таблиця 1.3, 1.4).

На рисунку 9,а показано, як слідкуючий АЦП обробляє постійний сигнал з рівнем V_BX = 0,37 В. Лічильник стартує з нуля, при цьому вихід компаратора знаходиться у високому логічному рівні. Лічильник рахує на додавання з кожним тактовим імпульсом, ступінчасте піднімаючи V_ЦАП. Коли лічильник проходить двійкову величину, яка представляє V_BX, то компаратор перемикається, і лічильник починає рахувати на віднімання. У результаті, лічильник хитається довкола величини, яка представляє V_BX.

Головний недолік слідкуючих АЦП – низька швидкість перетворення. Перетворення може зайняти до 256 тактів 8-бітного виходу, 1024 такти для 10-бітного значення і так далі. До того ж, швидкість перетворення змінюється залежно від V_BX. Якби напруга в даному прикладі складала 0,18 В, перетворення зайняло лише половину тактів у порівнянні з V_BX = 0,37 В.

Максимальна тактова частота АЦП слідкуючого типу залежить від затримки поширення сигналу в ЦАП і компараторі. Після кожного тактового імпульсу вихід лічильника має бути перетворений ЦАП, а результат перетворення з виходу потрапити на інверсний вхід компаратора. Компаратор віднімає деяку частину часу для реакції на зміну V_ЦАП, створюючи новий керуючий сигнал на складання або віднімання для реверсивного лічильника. Всі затримки сигналу роблять слідкуючий АЦП найповільнішим із всіх представлених типів АЦП. Слідкуючі АЦП широкого поширення не отримали; серед інтегральних схем що випускаються фірмами, такими як Analog Devices, Maxim, Burr-Brown, неможливо знайти слідкуючих АЦП. Треба відзначити, що АЦП послідовних наближень працює з великою швидкодією з такою розрядністю слова. Проте зустрічаються такі випадки, коли слідкуючий АЦП буде корисним. Наприклад, якщо сигнал змінюється повільно по відношенню до частоти дискретизації, слідкуючий АЦП встановлюватиме вихідне число за менше число тактів, ніж АЦП послідовних наближень.

Рисунок 9 – Три типи АЦП:  а) слідкуючий; б) паралельний;                  в) послідовних наближень.

Паралельний АЦП.

Паралельний АЦП (рисунок 9,б) – найшвидший з тих, що випускаються виробниками. Паралельний АЦП містить по компаратору на кожен крок напруги. На один із входів кожного компаратора подається вимірювана напруга. Інші входи компараторів підключаються до лінійки резисторів. Якщо рухатися вгору по цій лінійці, то можна відмітити, що кожен наступний компаратор підключений до вищої напруги з постійним кроком приросту напруги. Залежно від зміни вхідної напруги будуть переключені у стан 1 лише ті компаратори, в яких було перевищено опорну напругу. Сигнали з виходів всіх компараторів поступають в логічний блок – шифратор, який і задає вихідне цифрове m-бітне слово АЦП залежно від того, які компаратори в стані 0, а які в стані 1. Число компараторів визначається числом кодових комбінацій 2^m–1, де m – роздільна здатність АЦП. Тоді для 3-бітного АЦП буде потрібно 7 компараторів, для 4-бітного – 15 компараторів і так далі. Роздільна здатність паралельного АЦП обмежена, як правило, від 6 до 12 біт. Нескладно підрахувати, що для 6 бітного АЦП потрібно 63 вхідних компаратора.

Швидкість перетворення паралельного АЦП складається з часу затримки одного компаратора і логічного блоку. Паралельні АЦП найбільш швидкодіючі серед основних типів АЦП. Їх швидкодія складає десяті долі мікросекунд. До недоліків паралельних АЦП можна віднести різке збільшення вхідних компараторів разом із збільшенням роздільної здатності. З цієї причини для них недосяжний бар’єр у 12 біт, навіть із збільшенням міри інтегрування мікросхем. Такі величезні об’єми інтегральних елементів (компараторів і шифраторів) в одній мікросхемі реально впливають на робочі характеристики. Використання великого числа компараторів веде до збільшення споживаного струму. Так, наприклад, 10-бітний паралельний АЦП може споживати струм до 0,5 А. У свою чергу струм споживання визначає потужність розсіювання корпусом мікросхеми, тому  8-12-бітні АЦП повинні мати на платі ефективний тепловідвід від корпусу АЦП.