Як правильно вибрати АЦП?

Завдання вибору оптимального АЦП є достатньо складним, оскільки на ринку електронних компонентів наявна велика кількість перетворювачів. Для того щоб зробити правильний вибір, необхідно досить добре розбиратися в особливостях різних АЦП. У цій публікації розглядаються особливості АЦП та переваги їх застосування залежно від предметної області.

У. Кестер

Основні області застосування сучасних АЦП

Області застосування сучасних АЦП можуть бути розподілені таким чином:

• системи збору та обробки даних

• прецизійні вимірювальні прилади

• аудіосистеми та системи телефонного зв’язку

• системи високої швидкодії, для яких використовують АЦП із частотою вибірки понад 5 МГц.

У перелічених системах використовуються перетворювачі поразрядного урівноваження (successive-approximation — SAR), сигма-дельта (sigma-delta — Σ-Δ) та конвеєрні (pipelined) АЦП.

На рис. 1 показано області застосування кожного з типів АЦП, а також їх граничні параметри за точністю та частотою вибірки, причому пунктирною лінією зверху обмежені перетворювачі, які доступні на ринку електронних компонентів, починаючи з середини 2005 р. Незважаючи на те, що існує перекриття за технічними параметрами різних типів АЦП, вибір того чи іншого перетворювача залежить також і від області його застосування.

Поразрядні АЦП для систем збору та обробки даних

Поразрядні АЦП найчастіше використовуються в багатоканальних системах збору та обробки даних. Роздільна здатність сучасних АЦП поразрядного урівноваження становить від 8 до 18 розрядів із частотою вибірки до кількох мегагерц. Граничними параметрами серед перетворювачів цього класу володіють АЦП AD7621 (точність 16 розрядів і частота вибірки 3 МГц) та AD7641 (точність 18 розрядів і частота вибірки 2 МГц). Більшість поразрядних АЦП мають послідовний інтерфейс типу I2C або SPI, однак деякі з них можуть мати паралельний інтерфейс, що призводить до збільшення кількості виводів і розмірів корпусу.

Структурна схема та принцип роботи поразрядного АЦП

Базову структурну схему поразрядного АЦП наведено на рис. 2. Для того щоб вхідний сигнал у процесі поразрядного урівноваження залишався незмінним, у структуру такого АЦП вводять пристрій вибірки та зберігання (УВХ). За сигналом запуску ЦАП, що входить до складу АЦП, установлюється в середній точці шкали. Компаратор порівнює сигнали з виходів УВХ і ЦАП і, якщо сигнал на виході ЦАП менший за сигнал на виході УВХ, у поразрядному регістрі в старшому значущому розряді (most-significant bit — MSB) зберігається одиниця. В іншому випадку замість одиниці буде записаний нуль. У другому такті ЦАП формує сигнал, рівний 1/4 (або 3/4) шкали, у третьому — 1/8 (або 3/8) шкали і т.д. Процес перетворення триває доти, доки всі розряди АЦП не будуть визначені. Наприкінці цього процесу формується сигнал закінчення перетворення (EOC, DRDY, BUSY тощо). Типову часову діаграму роботи поразрядного АЦП наведено на рис. 3. Як випливає з цієї діаграми, поразрядні АЦП не мають затримки, характерної для конвеєрних або “pipelined” перетворювачів, що дозволяє використовувати їх у багатоканальному режимі або під час кодування неперіодичних процесів у режимі одиничних вимірювань. Процес перетворення керується за допомогою тактового генератора високої частоти, який може бути як внутрішнім, так і зовнішнім, при цьому не потрібна синхронізація цього генератора із сигналами запуску АЦП (CONVERT START).

Лінійність та реалізація поразрядних АЦП

Лінійність поразрядних АЦП в основному залежить від якості внутрішнього ЦАП. У сучасних поразрядних АЦП використовуються ЦАП на основі комутованих конденсаторів. На відміну від зважених тонкоплівкових резисторів, комутовані конденсатори не потребують лазерного підстроювання. Температурний коефіцієнт ємності таких ЦАП не гірший за 1 ppm/°C. Використовуваний під час створення поразрядних АЦП технологічний CMOS-процес є ідеальним для реалізації аналогових ключів, що дозволяє розміщувати на одному кристалі вузли АЦП та мультиплексора. На рис. 4 наведено структурну схему поразрядного АЦП сімейства AD79xx. Вузол формування часової діаграми (sequencer) керує процесом перетворення вхідного сигналу у вибраному каналі. Таким чином, в одному кристалі реалізовані і мультиплексор, і АЦП. Окрім вибору потрібного каналу, у поразрядному АЦП легко реалізуються режими самотестування та калібрування. Дані з виходу АЦП надходять на вхід наступного пристрою через послідовний інтерфейс, оскільки відсутня затримка видачі коду, характерна для конвеєрних і сигма-дельта АЦП. Поразрядний АЦП може працювати в режимах одиничних і безперервних перетворень, перетворень під керуванням програми, а також за перериванням і в режимі прямого доступу до пам’яті.

Сигма-дельта АЦП для прецизійних промислових систем і вимірювальної апаратури

Перетворювачі цього типу витіснили широко застосовувані у вісімдесятих роках минулого століття інтегрувальні АЦП подвійного та потрійного інтегрування. Основне призначення сигма-дельта перетворювача — системи з роздільною здатністю від 16 до 24 двійкових розрядів із частотою вибірки від одиниць до сотень герц. Висока роздільна здатність разом із наявністю у складі PGA-підсилювачів дозволяє безпосередньо (без проміжного перетворення) кодувати сигнали низького рівня з виходів температурних датчиків і датчиків тиску. Оптимальний вибір частоти вибірки дозволяє послабити вплив мережевої завади. Застосування сигма-дельта АЦП дає можливість замінити поразрядний перетворювач із вимірювальним підсилювачем у сучасних вагових та інших системах подібного призначення.

Принцип дії сигма-дельта АЦП

До основних особливостей роботи сигма-дельта АЦП належать: надвибірка вхідного сигналу, що дозволяє зсунути шум квантування в область високих частот; цифрова фільтрація та децимація вихідних даних. На рис. 5, а показано розподіл шуму квантування при частоті вибірки, що відповідає теоремі Найквіста (Котельникова), згідно з якою частота вибірки fs має вдвічі перевищувати частоту вхідного сигналу. На рис. 5, б частота fs у K разів перевищує частоту вхідного сигналу. Шум квантування, що виходить за межі смуги вхідного сигналу, усувається цифровим фільтром, а потім частота цифрових відліків зменшується в K разів (тобто відбувається децимація відліків). Це дозволяє збільшити відношення сигнал/шум, наприклад, на 3 дБ, якщо частота вибірки вдвічі перевищує частоту, що відповідає частоті Найквіста. З кожним наступним подвоєнням цієї частоти відношення сигнал/шум збільшуватиметься ще на 3 дБ. На рис. 5, в наведено базову структуру сигма-дельта АЦП.

Модулятори сигма-дельта АЦП

Заміна звичайного АЦП модулятором дозволяє зсунути практично весь шум квантування в область, у якій відсутній корисний сигнал. Функціональну схему сигма-дельта модулятора першого порядку наведено на рис. 6. Базовими вузлами модулятора є однорозрядний АЦП, роль якого виконує компаратор, і однорозрядний ЦАП, роль якого виконує ключ. Вихідні дані представлені однобітовим цифровим потоком, причому середня кількість бітів пропорційна значенню вхідного сигналу. Якщо рівень сигналу збільшується, то кількість одиниць у коді числа також збільшується, а якщо сигнал зменшується, то в коді числа пропорційно збільшується кількість нулів. Таким чином, кількість одиниць у цифровому потоці вихідних даних, віднесена до загальної кількості вибірок, завжди буде пропорційною величині вхідного сигналу. Модулятор також здійснює зсув шуму квантування, виконуючи функції ФНЧ для вхідного сигналу та функції ФВЧ для шуму квантування. Цифровий фільтр є частиною сигма-дельта АЦП і оптимізований для послаблення мережевої завади. Проте цей фільтр вносить затримку поширення, характерну для конвеєрних АЦП, яку слід враховувати в багатоканальному режимі або під час використання АЦП у контурі керування.

Застосування сигма-дельта АЦП у вимірювальних системах

У той час як інтегрувальні АЦП ще застосовуються в сучасних вольтметрах, у системах промислових вимірювань широко використовуються сигма-дельта АЦП. Ці перетворювачі відрізняються високим рівнем завадозахищеності та мають роздільну здатність до 24 двійкових розрядів. Наявність PGA-підсилювача забезпечує передавання аналогового сигналу від мостового датчика без проміжного перетворення.

На рис. 8 наведено спрощену схему тензометра, повна шкала якого становить 10 мВ при навантаженні 2 кг і збуджувальному сигналі 5 В. Традиційне рішення полягає у використанні вимірювального підсилювача та поразрядного АЦП з роздільною здатністю від 14 до 18 біт. Альтернативою такому рішенню є застосування сигма-дельта АЦП AD7799. Перетворення напруги 10 мВ у цифровий код забезпечується з точністю 16 розрядів і частотою вибірки 4,7 Гц. Логометричний знім аналогового сигналу дозволяє виключити прецизійне опорне джерело (рис. 9).

Для того щоб отримати необхідну точність під час використання сигма-дельта АЦП, слід приділити серйозну увагу процесу його налагодження, який значно складніший за аналогічну процедуру для поразрядного перетворювача. Велике значення при цьому має програмне забезпечення та якість розведення друкованої плати. Водночас слід зазначити, що існує багато систем, у яких з успіхом можуть бути використані прості поразрядні АЦП з вимірювальним підсилювачем і мультиплексором на вході.

Сигма-дельта АЦП для телефонії та аудіосистем

Окрім перелічених областей застосування, сигма-дельта АЦП широко використовуються в телефонії та аудіосистемах. Основною перевагою таких АЦП є те, що надвибірка призводить до суттєвого спрощення фільтрів, які послаблюють завади, спричинені накладанням спектрів.

У сучасних цифрових супутникових системах зв’язку широко використовуються сигма-дельта АЦП і ЦАП. Окрім кодеків, вони застосовуються в системах обробки мовлення, шифруванні інформації тощо. До перелічених прикладів можна додати FM-стереосистеми, аудіосистеми у складі ПК, цифрові магнітофони та DVD-аудіосистеми. Відношення сигнал/шум плюс спотворення в таких АЦП досягає 100 дБ, а частота вибірки становить 48 або 192 кГц.в таких АЦП достигает 100 дБ, а час­тота выборки составляет 48 или 192 кГц.

Конвеєрні АЦП високої швидкодії з частотою вибірки не менше 5 МГц

На сьогодні конвеєрні АЦП застосовуються не лише для обробки зображень, а й для розв’язання багатьох інших задач. Слід зазначити, що ще 20 років тому ці задачі розв’язувалися за допомогою паралельних або flash-АЦП, частота вибірки яких досягала 100 МГц, а роздільна здатність — 8 розрядів. Нині flash-АЦП є складовою частиною конвеєрних перетворювачів і, як правило, не мають самостійного застосування. Виняток становлять АЦП з частотою вибірки понад 1 ГГц і роздільною здатністю 6–8 біт.

Структура та особливості конвеєрних АЦП

Сьогодні швидкодіючі АЦП знаходять застосування в радіовимірювальних приладах (цифрових осцилографах, аналізаторах спектра тощо) і медичній апаратурі. Крім того, такі АЦП використовуються в цифрових приймачах засобів зв’язку (базових станціях, радарах, адаптерах цифрового телебачення), у побутовій електроніці (цифрових фотоапаратах, DVD-плеєрах, телебаченні високої чіткості тощо). Структурну схему 6-розрядного двоступеневого конвеєрного АЦП наведено на рис. 10.

До його складу входять загальний УВХ, два трирозрядних АЦП, ЦАП, віднімальний пристрій і підсилювач різницевого сигналу. Після першого циклу перетворення трирозрядний цифровий код перетворюється в аналоговий сигнал, який, своєю чергою, віднімається від вхідного, знятого з виходу УВХ. Різницевий сигнал підсилюється і кодується наступною ступінню flash-АЦП. Таким чином, за два такти перетворення формується 6-розрядний код, еквівалентний сигналу на вході АЦП.

На рис. 11 наведено форму сигналу на вході другої ступені конвеєрного АЦП. Ідеальному стану відповідає рис. 11, а. У цьому випадку пропуски кодів під час перетворення сигналу першою ступінню відсутні. У разі пропуску кодів на вході другої ступені АЦП спостерігається вихід сигналу за межі піддіапазону (рис. 11, б). Передавальна характеристика всього АЦП при цьому матиме вигляд, наведений на діаграмі рис. 12.

Для усунення цього недоліку до складу АЦП необхідно вводити кола корекції, збільшуючи діапазон, а отже, і роздільну здатність другої ступені конвеєрного АЦП. Крім того, має бути збільшена і точність віднімального ЦАП, яка повинна бути вищою за загальну точність конвеєрного перетворювача. Структурну схему конвеєрного АЦП з корекцією пропусків кодів наведено на рис. 13. Вона відрізняється тим, що завдяки одному УВХ не має затримки, оскільки сигнал на виході УВХ зберігається протягом повного циклу перетворення. Зазначимо, що роздільна здатність другої ступені перетворення на один розряд більша, ніж першої, причому в перетворювач включено коригувальний регістр.

Широко поширену на сьогодні структуру конвеєрного АЦП з цифровою корекцією наведено на рис. 14. Кожна ступінь перетворення такого АЦП працює протягом половини загального циклу перетворення. УВХ наявний у кожній ступені та використовується як керована затримка під час виконання повного циклу перетворення.

Існує багато варіантів структурної організації конвеєрних АЦП. Це стосується і кількості ступенів перетворення, і розрядної сітки АЦП у кожній ступені, і кількості додаткових коригувальних розрядів. Якщо дані від кожної ступені перетворення надходять у коригувальні регістри, їх розрядність має бути збільшена. Так, наприклад, для першої ступені потрібен семирозрядний зсувний регістр, для другої — шестирозрядний, для третьої — п’ятирозрядний і т.д. Це збільшує загальну затримку першого відліку відповідно до часової діаграми роботи АЦП AD9235, наведеної на рис. 15.

Для цього 12-розрядного перетворювача з частотою вибірки 65 МГц передбачено сім тактів затримки, що залежно від застосування може викликати певні труднощі під час використання такого АЦП. Насамперед це стосується контуру керування, у якому доцільніше застосовувати поразрядні АЦП, або багатоканальних вимірювальних систем. Однак у системах, для яких частота перетворення важливіша за час установлення, доцільно використовувати конвеєрні АЦП.

Слід звернути увагу на мінімальну частоту вибірки конвеєрних АЦП. Чим вона менша, тим швидше розряджається ємність внутрішнього УВХ. Тому такі АЦП мають обмеження знизу на частоту вибірки вхідного сигналу. Особливо небажаним є використання таких АЦП у режимі одиничних перетворень. У таких режимах слід використовувати поразрядні АЦП.

Існує певна відмінність між конвеєрними та багатоступеневими АЦП, оскільки багатоступеневі перетворювачі не завжди працюють за конвеєрним алгоритмом. Конвеєрний алгоритм використовується, якщо потрібно забезпечити максимальну швидкість перетворення вхідного сигналу. Гранична роздільна здатність сучасних конвеєрних АЦП становить 14 розрядів, частота вибірки — 100 МГц.

Конвеєрні АЦП у системах цифрового радіозв’язку

Вони застосовуються не лише для підвищення швидкості перетворення, а й для збільшення відношення сигнал/шум і розширення динамічного діапазону неспотвореного сигналу. Це важливо для систем стільникового радіозв’язку і, насамперед, для організації приймачів і передавачів базових станцій. Функціональні схеми приймача і передавача з вибіркою сигналів проміжної частоти наведено на рис. 16. У таких пристроях є багато частотних каналів, сигнали яких кодуються одночасно одним АЦП. Смуга такого АЦП має бути не вужчою за 20 МГц. Усі операції фільтрації, налаштування, розділення каналів здійснюються цифровим сигнальним процесором (DSP). Така організація приймання/передавання даних виключає необхідність транспонування спектра в нижчочастотну область і дозволяє всі необхідні операції виконувати в цифровому вигляді. Подібним чином організовані засоби зв’язку в стандартах GSM, CDMA, EDGE. Відмінність полягає в прикладному програмному забезпеченні.

На вхід перетворювачів у смузі частот, заданій у кожному з перелічених стандартів, можуть надходити як корисні сигнали, так і завади. При цьому самі АЦП не повинні генерувати комбінаційні складові інтермодуляційних спотворень, які маскують корисні сигнали з меншою амплітудою. Відношення максимального сигналу завади до мінімального корисного сигналу визначає вимоги до динамічного діапазону неспотвореного сигналу. Крім того, відношення сигнал/шум АЦП має відповідати чутливості приймача, визначеній вимогами стандарту.

Відношення сигнал/шум і динамічний діапазон неспотвореного сигналу для АЦП, що використовуються в системах стільникового радіозв’язку, визначаються для заданої проміжної частоти. Як вибрати необхідну частоту вибірки АЦП для заданої проміжної частоти показано на рис. 17. Частота вхідного сигналу лежить у смузі 20 МГц, частота вибірки становить 60 МГц. Показано, як здійснюється зсув сигналу з третьої зони Найквіста з центральною частотою 75 МГц у смугу частот із центральною частотою 15 МГц без застосування понижувального перетворювача.

Сучасні конвеєрні АЦП, такі як 14-розрядний АЦП AD9444 із частотою вибірки 80 МГц, відповідають вимогам, що висуваються до систем стільникового радіозв’язку. Ці АЦП мають динамічний діапазон неспотвореного сигналу 97 дБн і відношення сигнал/шум 73 дБ на частоті вхідного сигналу 70 МГц. Смуга частот цього АЦП становить 650 МГц.

Висновки

• У статті розглянуто особливості поразрядних, сигма-дельта та конвеєрних перетворювачів. Структури таких перетворювачів відомі досить давно, однак останні успіхи в галузі мікроелектроніки дозволили суттєво підвищити параметри АЦП на основі розглянутих структурних рішень, причому їх точність збільшилася в середньому більш ніж на порядок, а частота вибірки — на кілька порядків. Крім того, зменшилося енергоспоживання цих АЦП, зменшилися розміри та вартість.
• Поразрядні АЦП нині мають граничну точність 18 розрядів і частоту вибірки 3 МГц. Вони широко використовуються в багатоканальних системах збору даних і вимірювальних приладах різного призначення завдяки відсутності затримки першого відліку, характерної для конвеєрних перетворювачів.
• Сигма-дельта АЦП використовуються в прецизійних приладах, промислових вимірювальних системах, лічильниках електроенергії, системах керування двигунами та в аудіосистемах. Гранична роздільна здатність таких АЦП — 24 розряди.
• Конвеєрні АЦП застосовуються в системах із частотою вибірки понад 5 МГц і роздільною здатністю не гірше 14 розрядів. Максимальна частота вибірки таких АЦП на сьогодні перевищує 100 МГц. Це дозволило використовувати ці перетворювачі в цифрових осцилографах, аналізаторах спектра, медичних системах з обробкою зображень, у бездротових системах зв’язку, цифрових фотоапаратах, телебаченні високої чіткості тощо. Для вивчення характеристик сучасних АЦП багато компаній-виробників, у тому числі Analog Devices, випускають спеціальні оціночні плати, що містять, окрім АЦП, джерела тестових сигналів, ЦАП для відновлення цифрових кодів, інтерфейси для зв’язку з ПК тощо.

Останнім часом низка фірм, зокрема Analog Devices, постачають так звані віртуальні оціночні плати, які за допомогою спеціального програмного забезпечення дають можливість оцінити параметри передбачуваних до використання АЦП без фізичного моделювання та макетування базових вузлів. Віртуальні плати постачаються, як правило, безкоштовно.