PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать

В итоге мы получим ближайшее значение, не превышающее искомое, равное суммарной массе гирь, оставшихся на тарелке. Так, если W было равно 6.2 г, то в случае 4-битной системы мы получим 4 г + 2 г = 6 г (Ь’0110’).

В электронике для реализации метода последовательного приближения[179] используются наборы прецизионных резисторов или конденсаторов, объединенные таким образом, чтобы можно было последовательно уменьшать в 2 раза фиксированное напряжение V_ref, подаваемое на аналоговый компаратор, который играет роль весов.

В большинстве микроконтроллеров для деления опорного напряжения используются наборы конденсаторов, емкости которых пропорциональны степеням двойки (Рис. 14.8). Конденсаторы небольшой емкости можно легко реализовать в кремниевом кристалле интегральной микросхемы, и, хотя точное их значение будет несколько отличаться от партии к партии, в каждом конкретном экземпляре микросхемы емкости всех конденсаторов будут соответствовать друг другу, причем это соответствие будет сохраняться при изменении температуры и напряжения питания. Емкость, кратная базовой, может быть реализована параллельным соединением конденсаторов. Как правило, роль этой емкости выполняет емкость перехода затвор-исток полевого транзистора, являющегося базовым элементом любой КМОП ИС.

Перед запуском процесса преобразования все конденсаторы подключаются к неизвестному аналоговому входному напряжению V_in как показано на Рис. 14.8, а. При осуществлении выборки (sampling) эти конденсаторы заряжаются через внутренние и внешние сопротивления с учетом времени установления внутренних аналоговых ключей. Возьмем в качестве примера модуль 10-битного АЦП, изображенный на Рис. 14.11. В этом случае к выводу AN подключается набор параллельно соединенных конденсаторов номинальной емкостью 0.12 пФ. Таким образом, их суммарная емкость равна 120 пФ (120 х 2^-12 Ф). Внутреннее сопротивление имеет величину порядка 7.5 кОм, которое, однако, сильно зависит от температуры и напряжения питания. Рекомендуется, чтобы внешнее сопротивление составляло не более 2.5 кОм — в этом случае напряжение смещения, вызванное токами утечки ± ¹/₂ мкА, будет меньше уровня квантования (младшего значащего бита).

Рис. 14.8.Инициализация набора конденсаторов 4-битного преобразователя

Постоянная времени τ (R∙C при указанных значениях равна 120 х 10^–12 х 10⁴ = 1.2 мкс для суммарного сопротивления 7.5 + 2.5 = 10 кОм. Чтобы получить точность не хуже 0.05 % итогового напряжения, т. е. ¹/₂ 10-битного уровня квантования, возьмем 8 х τ ~= 10 мкс. В документации максимальное время установления ключа указывается равным 10 мкс, но в нашем примере примем его равным 2 мкс. Таким образом, даже в наихудшем случае для полного заряда набора конденсаторов хватит 20 мкс.

Наш последующий анализ строится на предположении, что к моменту преобразования конденсаторы должны быть заряжены до полного значения входного напряжения. Это замечание справедливо в случае осуществления выборки по одному из нескольких аналоговых каналов или в том случае, если с момента последней выборки прошло достаточно времени для полного стекания заряда. Меньшее выходное сопротивление источника сигнала приведет к уменьшению постоянной времени. Разумеется, для оценки максимально достижимой частоты выборки к указанному времени накопления следует прибавить время собственно преобразования.

Во время выборки (S) верхние по схеме обкладки конденсаторов имеют нулевой потенциал, а нижние заряжаются до V_in. При переводе ключа в положение «хранение» (Н), как показано на Рис. 14.8, б, нижние обкладки конденсаторов оказываются соединенными с общим проводом, а верхние обкладки — ни к чему не подсоединены. Как известно, напряжение на конденсаторе может измениться только в том случае, если произойдет перенос заряда между обкладками, ΔQ = СΔV. Таким образом, изменение напряжения на нижних обкладках конденсаторов на величину ΔV = — V_in приведет к появлению на верхних обкладках потенциала, равного 0 — V_in, поскольку заряд не может исчезнуть с обкладки, которая никуда не подключена. Таким образом, в начале процесса преобразования на инвертирующем входе аналогового компаратора присутствует напряжение — V_in.

Четырехбитный вариант схемы последовательного приближения, являющейся «сердцем» модуля АЦП, в упрощенном виде показан на Рис. 14.9. Поэтапное выполнение операций осуществляется сдвиговым регистром SRG (см. Рис. 2.22 на стр. 51) после установки бита  регистра управления АЦП. При поступлении на этот регистр тактовых импульсов на каждом его выходе поочередно появляется лог. 1, активизируя каждый этап преобразования: