SAR ADC tìm điện áp bằng tìm kiếm nhị phân, vì sao vẫn cần thời gian lấy mẫu?

Một bộ chuyển đổi tương tự sang số có thể tìm ra mã nhị phân rất nhanh nhưng vẫn đưa ra kết quả sai nếu chưa lấy đúng điện áp đầu vào. Với SAR ADC, thời gian lấy mẫu là lúc mạch nạp và ổn định điện áp trên tụ giữ mẫu, trước khi bắt đầu các phép so sánh. Tăng tốc xung điều khiển không tự giải quyết được giới hạn này.

Điều đó đáng chú ý trong các thiết bị đọc cảm biến: từ mạch đo nhiệt độ đến hệ thống theo dõi độ ẩm đất, phần mềm thường chỉ nhìn thấy một con số. Để hiểu con số ấy có đại diện cho tín hiệu thật hay không, cần xem cả đường đi trước và sau khối chuyển đổi.

Tìm kiếm nhị phân diễn ra trong mạch điện

Theo tài liệu kiến trúc của Analog Devices, SAR ADC sử dụng một bộ chuyển đổi số sang tương tự, gọi là DAC, cùng bộ so sánh và thanh ghi điều khiển. Mạch thử mức ở giữa dải đo, so điện áp này với mẫu đầu vào rồi giữ hoặc bỏ bit có trọng số lớn nhất.

Sau đó, mạch thử bit tiếp theo, thu hẹp dần khoảng chưa biết cho đến bit cuối. Trong mô hình SAR cơ bản N bit, quá trình cần N lần quyết định. Nó không thử lần lượt toàn bộ các mã từ nhỏ đến lớn, nên có thể chuyển đổi với cấu trúc tương đối gọn.

Đây là nguyên lý kiến trúc, không phải lời bảo đảm về tốc độ của mọi linh kiện. Bài giải thích của Analog Devices được công bố năm 2001; các mức tốc độ và sản phẩm được nêu trong đó không nên dùng như giới hạn thị trường hiện nay.

Trước khi so sánh, tụ phải kịp nạp

Microchip mô tả acquisition time là khoảng cần thiết để tụ giữ mẫu ở đầu vào thu nhận điện áp. Khi công tắc lấy mẫu mở ra, tụ bị tách khỏi nguồn tín hiệu để phục vụ quá trình chuyển đổi.

Nếu tụ chưa ổn định tới mức yêu cầu mà mạch đã bắt đầu so sánh, ADC đang số hóa một điện áp chưa đại diện đúng cho đầu vào. Việc thanh ghi tìm kiếm chính xác sau đó cũng không sửa được sai lệch đã xuất hiện trước phép chuyển đổi.

Thời gian cần thiết phụ thuộc điện dung, trở kháng nguồn tín hiệu, điện trở công tắc và mạch ghép kênh bên trong. Nguồn có trở kháng lớn thường cần lâu hơn để nạp tụ. Vì các tham số khác nhau giữa linh kiện, hướng dẫn quan trọng là dùng mô hình đầu vào và điều kiện trong datasheet cụ thể, thay vì áp một ngưỡng điện trở chung cho mọi ADC.

Tốc độ lấy mẫu khác thời điểm nhận kết quả

Texas Instruments tách các khoảng thời gian thành lấy mẫu, chuyển đổi, truyền dữ liệu và đáp ứng. Throughput mô tả khoảng tối thiểu giữa hai mẫu liên tiếp; thời gian đáp ứng lại tính từ lệnh bắt đầu đến khi bộ điều khiển nhận được kết quả.

Hai thông số này có thể khác nhau vì dữ liệu được truyền theo những cách khác nhau. Có giao diện đưa từng bit ra khi bit đó vừa được xác định, có giao diện đòi hỏi một trình tự đọc riêng. Do đó, chỉ nhìn tần số lấy mẫu tối đa chưa đủ để biết dữ liệu đến phần mềm chậm bao lâu.

Với một vòng điều khiển, độ trễ này ảnh hưởng thời điểm ra quyết định. Với bộ ghi dữ liệu, điều cần quan tâm có thể là giữ được khoảng lấy mẫu ổn định. Cùng một ADC nhưng hai ứng dụng sẽ đặt trọng tâm kiểm tra khác nhau.

Mẫu đầu tiên cũng cần được kiểm chứng

Hướng dẫn về phép chuyển đổi đầu tiên của Analog Devices chỉ ra thêm các điều kiện như trình tự cấp nguồn, reset, điện áp tham chiếu và thời gian ổn định đầu vào. Một kết quả đọc được qua giao tiếp số không tự chứng minh các khối tương tự đã sẵn sàng.

Điện áp tham chiếu là mốc để DAC tạo các mức thử. Nếu mốc này chưa ổn định, phép so sánh có thể nhất quán với một thước đo đang thay đổi. Tương tự, sau khi đổi kênh hoặc trở về từ chế độ tiết kiệm điện, cần thực hiện thời gian chờ và trình tự mà nhà sản xuất quy định.

Các ví dụ của tài liệu gắn với những dòng ADC cụ thể, không phải mọi SAR đều cần cùng một xung reset hay cùng thời gian chờ. Điểm có thể áp dụng rộng hơn là kiểm tra chuỗi cấp nguồn, thu nhận, chuyển đổi và đọc dữ liệu như một quá trình hoàn chỉnh. Khi kết quả bất thường, nên tìm xem sai lệch bắt đầu ở đâu trước khi tăng số bit hoặc tốc độ của linh kiện.

Nguồn và ảnh

Nguồn 1; Nguồn 2; Nguồn 3; Nguồn 4.

Sơ đồ nguyên lý thanh ghi SAR, Lambtron, ngày8/8/2026; không đại diện một IC thương mại cụ thể. trang nguồn ảnh; CC BY-SA 4.0. Dùng toàn bộ ảnh, không cắt hoặc sửa nội dung.