Nell'ADC a gradinata (in inglese: digital ramp o stairstep-ramp o simply counter ADC) la logica di controllo è costituita da un semplice contatore. La conversione viene effettuata inziando un nuovo conteggio a partire dal numero zero. L'uscita del contatore viene convertita in analogico dal DAC e quindi confrontata con la tensione di ingresso. Quando il valore prodotto dal DAC supera la tensione Vin, il conteggio viene bloccato e tale valore rappresenta la tensione digitalizzata. Per iniziare una nuova conversione occore far ripartire un nuovo conteggio da zero.
Il principale difetto di questo convertitore è la lentezza: infatti, nel peggiore dei casi, se la tensione da convertire assume valori prossimi al fondo scala, possono occorrere fino a 2n conteggi, prima di arrivare al numero corretto.
La figura seguente mostra i diagrammi temporali esemplificativi di due conversioni effettuate dall'ADC. SOC rappresenta il segnale impulsivo di avvio di una nuova conversione (Start of Conversion): il suo periodo è uguale al periodo di campionamento. Tck è il periodo di clock del segnale che temporizza il conteggio. Vd è la tensione a rampa prodotta in uscita dal DAC. EOC è il segnale che indica la fine di una conversione (End Of Conversion).
Si osservi che:
- Il contatore inizia a contare in corrispondenza del fronte di salita del primo impulso di CLOCK dopo la fine del segnale Start of Convesion (SOC).
- Nell'istante in cui Vin < VD il segnale EOC (uscita del comparatore) diventa BASSO e il conteggio si arresta. I successivi impulsi di CLOCK non modificano lo stato del contatore. Al termine di questo intervallo di tempo viene applicato all’ingresso del comparatore un nuovo campione.
- La logica di controllo genera nuovamente il segnale SOC che resetta il contatore e il ciclo descritto in precedenza si ripete.
Come evidenziato anche in figura, il tempo di conversione di questo ADC dipende:
- dal periodo TCK del CLOCK
- dal numero n di bit del contatore;
- dall'ampiezza della tensione Vin da convertire (cioè dal conteggio D raggiunto).
In particolare, si ricava che il valore massimo del tempo di conversione Tconv corrispondente a un campione di ampiezza pari a VinMAX èil seguente:
TconvMAX= (2n-1)*TCK
Nelle applicazioni pratiche, la variabilità del valore di Tconv suggerisce d’utilizzare come riferimento il valore TconvMAX in modo da garantire la corretta temporizzazione per qualunque valore del campione Vin.
I principali difetti di questo ADC sono la lentezza (nel caso peggiore occorre effettuare 2n-1 per ottenere la conversione) e il fatto che il tempo di conversione non è costante, ma varia al variare dell'ampiezza della tensione da convertire.
L'ADC a inseguimento (in inglese: tracking ADC) rappresenta una versione migliorata dell'ADC a rampa. In questo caso il contatore utilizzato è un contatore up/down, cioè in grado di effettuare un conteggio a incremento (up) o a decremento (down), a seconda dell'uscita del comparatore. Se la tensione d’ingresso è minore di quella fornita dal DAC, l’uscita del comparatore è a zero per cui il contatore funziona in modalità down e la tensione di uscita del DAC tende a diminuire. Se la tensione da convertire diventa superiore a quella del DAC, l’uscita del comparatore va ad 1 ed il contatore viene impostato in modalità up.
Il diagramma temporale seguente mostra il processo di conversione:
Si noti che l'uscita up/down del comparatore (che comanda la direzione del conteggio) cambia a seconda del fatto che la tensione convertita (in uscita al DAC) superi o sia inferiore alla tensione da convertire. Osserviamo che:
- Fino a quando Vin>VD l'uscita del comparatore è ALTA. Questo livello ALTO abilita il conteggio in UP del contatore, il quale incrementa il proprio conteggio. L'uscita VD, del DAC quindi, è una rampa digitale crescente che prosegue fino a quando si verifica la condizione Vin<VD
- Nell'istante in cui Vin<VD l'uscita del comparatore commuta portandosi a livello BASSO. In questo modo viene abilitato il conteggio in DOWN del contatore il quale decrementa di uno il proprio conteggio. Ne deriva che la tensione VD scende di un quanto 1 LSB ripristinando la condizione Vin>VD.
- Poiché ora è nuovamente verificata la condizione Vin >VD l'uscita del comparatore ritorna ALTA abilitando il conteggio in UP. Il contatore incrementa di uno il proprio conteggio e l'uscita VD del DAC cresce di un quanto (1 LSB). In questo modo si ripristina la condizione del punto 2.
- Ne deriva che il contatore continua a commutare di ± 1 LSB, e quindi la tensione VD oscilla nel modo indicato intorno al valore di Vin.
Il conteggio raggiunto dal contatore rappresenta il codice digitale del campione a meno di ± 1 LSB. Quando viene acquisito un nuovo campione il contatore non viene resettato ma, in base al funzionamento descritto, incrementa o decrementa il proprio conteggio e, come mostrato in figura, la tensione VD raggiunge i nuovi valori di Vin oscillando intorno a ciascuno di essi di ± 1 LSB. L’andamento della tensione VD (cioè del conteggio) giustifica la definizione di ADC a inseguimento: l'ADC in esame, infatti, è in grado di seguire l'andamento ditali segnali.
Esso risulta più veloce dell'ADC a rampa, a condizione che i valori di tensione da convertire siano abbastanza vicini fra loro.
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