Tпр.макс=(2N-1)/ fтакт.

Например, при N=10 и f_такт=1 МГц t_{пр.макс}=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц. Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора.

Особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации. Достоинством является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования. Известны и другие схемы АЦП последовательного счета: времяимпульсный, двойного интегрирования (АЦП на ИС К572ПВ2 имеет погрешность ~ 0,05%).

2. Метод последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. В методе последовательного приближения происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины Х с квантованной Х_к, изменяющейся по определенному закону. Мера может регулироваться скачками от возможного максимального значения: 1, ¹/₂, ¹/₄, ¹/₈ и т.д., суммируясь с предыдущей величиной. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз, что позволяет получить с помощью таких АЦП 10⁵...10⁷ преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая используемым ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown) и более.

Примером является вольтметр поразрядного кодирования (уравновешивания), который рассмотрим в лекции «Цифровые вольтметры». Здесь достигается большее быстродействие и высокая точность (~ 0,001%), но низкая помехозащищенность. В режиме поразрядного кодирования работает АЦП на ИС: К1108ПВ1 и К1113ПВ1.

Быстродействие АЦП определяется суммой времени установления t_уст ЦАП, времени переключения компаратора t_к и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_з. Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП.

3. Метод считывания (параллельные АЦП)

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. В АЦП происходит одновременное сравнение измеряемой величины Х со всеми уровнями квантования Х_к1… Х_кi. Наиболее близкий уровень сверху или снизу принимается за результат. Метод называют еще «непосредственным кодированием».

Рассмотрим АЦП типа К1107ПВ1. На входе – резистивный делитель с 64 отводами. Далее стоят 64 схемы сравнения, дешифратор 64x6, на выходе которого формируется шестиразрядный двоичный код. Преобразователь позволяет менять тип кода памяти и индикации. Быстродействие при квантовании на 64 уровня 100 нс, но ИС К1107ПВ3 позволяет делать то же за 20 нс, а К1107ПВ2 использует 256 уровней за 100 нс. Сегодня есть АЦП, с быстродействием 1 нс и выше.

Некоторые интегральные микросхемы (ИМС) параллельных АЦП, например МАХ100, снабжаются сверхскоростными УВХ, имеющими время выборки порядка 0,1 нс. Другой путь состоит в использовании кода Грея, характерной особенностью которого является изменение только одной кодовой позиции при переходе от одного кодового значения к другому. Наконец, в некоторых АЦП (например, МАХ1151) для снижения вероятности сбоев при параллельном преобразовании используется двухтактный цикл, когда сначала состояния выходов компараторов фиксируются, а затем в него записывают выходное слово АЦП.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2^N-1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость и значительная потребляемая мощность.

4. Комбинированные методы.

Комбинированные методы позволяют повысить точность, разрешающую способность и быстродействие. Из комбинированных методов нашли применение интегропотенциометрический (сочетание преобразования U®f и поразрядного кодирования), метод расширенной динамической шкалы (сочетание время – импульсного и поразрядного кодирования) и др.

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это меньшей ценой. Они занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные.

В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве на грубое преобразование сигнала в старшие разряды и точное - в младшие разряды выходного кода. Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, временнoе запаздывание, поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения (УВХ) до тех пор, пока не будет получено все число.

В многотактных АЦП процесс преобразования разделен во времени. Преобразователь состоит из К-разрядного параллельного АЦП, К-разрядного ЦАП и устройства управления. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в К старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в К² раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова. Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным.

Преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше. Однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения. Примером является трехтактный 12-разрядный AD7886 со временем преобразования 1 мкс.

Конвеерные АЦП также применяют принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. Вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова в АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка в АЦП2 простаивает АЦП1.

Конвеерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту выборок. Можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП. Например, для построения 12-разрядного АЦП из четырех 3-разрядных необходимо 28 компараторов, тогда как его реализация из двух 6-разрядных потребует 126 компараторов. Конвеерную архитектуру имеет большое количество АЦП, в частности, AD9040А, выполняющий до 40 млн. преобразований в секунду.