PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать

Набор конденсаторов переключается в положение «Хранение», и все конденсаторы, начиная с конденсатора, имеющего наибольшую емкость, по очереди подключаются к линии V_ref. Выходной сигнал компаратора определяет состояние соответствующего бита регистра последовательного приближения (SAR). Подробно этот процесс показан на Рис. 14.10. После четырех таких операций «установка — проверка — сброс» результат из SAR передается в регистр данных АЦП. При этом сбрасывается флаг , свидетельствуя об окончании процесса преобразования, и устанавливается флаг прерывания ADIF. И в завершение аналоговый вход снова подключается к конденсаторам (состояние «Выборка»), в результате чего они заряжаются для следующего преобразования, которое можно будет выполнить после небольшой паузы.

Суммарное время преобразования приблизительно равно шести периодам сигнала t_AD, подаваемого на тактовый вход сдвигового регистра секвенсора (контроллера последовательности) — по одному периоду на каждый бит плюс один для каждого из интервалов выборки и хранения. В 10-битном модуле время преобразования приблизительно равно 12 периодам тактового сигнала АЦП. Если же говорить конкретно о микроконтроллерах PIC, то минимальный период тактового сигнала составляет примерно 1.6 мкс (~= 600 кГц) для всех устройств, кроме самых старых моделей PIC16C71/711, в которых это значение равно 2 мкс. Нижняя граница периода не нормируется, однако из-за постепенного стекания заряда из конденсаторов следует избегать тактовых частот с периодом t_AD более 20 мкс (50 кГц). Из Рис. 14.11 видно, что в качестве тактового сигнала АЦП может использоваться сигнал от одного из четырех источников. Первые три сигнала получают из системного тактового сигнала, прошедшего через предделитель, а четвертый формируется встроенным RС-генератором, период t_AD которого составляет около 4 мкс.

Процесс преобразования, при котором каждая последующая доля V_ref добавляется и при необходимости исключается из начального значения, показан на Рис. 14.10. Как мы уже видели на Рис. 14.8, в конце этапа выборки верхние обкладки конденсаторов заряжаются до уровня — V_in. В качестве примера предположим, что V_in = 0.4285∙V_ref.

Рис. 14.9.Упрощенная схема 4-битного АЦП последовательного приближения

1. Процесс начинается с подключения источника опорного напряжения V_ref к нижней обкладке конденсатора самой большой емкости, что определяется защелкой SAR8 (Рис. 14.9). Это вызывает инжекцию заряда величиной ΔQ = C_total∙V_ref, который будет одинаков как для конденсатора C₁ емкостью 8 единиц, так и для остальных конденсаторов, суммарная емкость которых также равна восьми единицам (Рис. 14.10). Таким образом, напряжение на узле N возрастает на V_ref/2 до уровня —0.4285 + 0.5 = +0.0715∙V_ref. В общем случае ΔV_N = V_refC_k/C_total. В результате на выходе компаратора появляется лог. 0 и защелка SAR8 соответственно сбрасывается, приводя напряжение на конденсаторах к значениям, которые были перед началом данного этапа.

Рис. 14.10. Реализация метода последовательного приближения

2. SAR4 подключает источник V_ref к следующему конденсатору наибольшей емкости, в результате чего напряжение на узле N возрастает на V_ref/4 (т. е. на ⁴/₁₆) — В итоге на инвертирующем входе компаратора появляется напряжение —0.4285 + 0.25 = —0.1785∙V_ref, что приводит к появлению на выходе компаратора лог. 1. Защелка SAR4 остается установленной, при этом напряжение узла остается равным —0.1785∙V_ref.

3. SAR2 подключает источник V_ref к следующему конденсатору наибольшей емкости, в результате чего напряжение на узле N возрастает на V_ref/8 (т. е. нa ²/₁₆). Итоговое напряжение -0.1785 + 0.125 = -0.0535∙V_ref приводит к появлению на выходе компаратора лог. 1. Защелка SAR2 остается установленной, при этом напряжение узла остается равным —0.0535∙V_ref.

4. SAR1 подключает источник V_ref к конденсатору наименьшей емкости, в результате чего напряжение на узле N возрастает на V_ref/16 (т. е. на ¹/₁₆) — Итоговое напряжение -0.0535 + 0.0635 = +0.009∙V_ref приводит к появлению на выходе компаратора лог. 0 и сбросу защелки SAR1.

Таким образом, в регистре SAR окажется код Ь’0110’ или 0.375 В, представляющий 4-битное число, наиболее близко соответствующее напряжению V_in = 0.4825∙V_ref. Остаток, равный 0.0535∙V_ref, представляет собой погрешность квантования.