Як вибрати АЦП?

Завдання вибору оптимального АЦП досить складна, оскільки над ринком електронних компонентів є безліч перетворювачів. Для того, щоб зробити правильний вибір, необхідно добре розбиратися в особливостях різних АЦП. У цій публікації розглядаються особливості АЦП та переваги їх застосування залежно від предметної галузі.

У. Кестер

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.

Типи АЦП

У перерахованих системах використовуються перетворювачі порозрядного врівноваження (successive-approximation – SAR), сигма-дельта (sigma-delta – Е-Д) та конвеєрні (pipelined) АЦП.

На рис. 1 показані області застосування кожного з типів АЦП, а також їх граничні параметри за точністю і частотою вибірки, причому пунктирною лінією обмежені зверху 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.

Порозрядні АЦП для систем збирання та обробки даних .

Порозрядні АЦП найчастіше використовуються у багатоканальних системах збору та обробки даних. Роздільна здатність сучасних АЦП порозрядного врівноважування становить від 8 до 18 розрядів з частотою вибірки до декількох мегагерц. Граничними параметрами серед перетворювачів даного класу мають АЦП AD7621 (точність 16 розрядів та частота вибірки 3 МГц) та AD7641 (точність 18 розрядів та частота вибірки 2 МГц). Більшість порозрядних АЦП мають послідовний інтерфейс типу I ² C або SPI, проте деякі можуть мати паралельний інтерфейс, що призводить до збільшення числа висновків і розмірів корпусу.

Базова структурна схема порозрядного АЦП наведено на рис. 2. Для того, щоб вхідний сигнал у процесі порозрядного врівноваження залишався незмінним, структуру такого АЦП вводять ПВЗ. За сигналом запуску ЦАП, що є у складі АЦП, встановлюється у середній точці шкали. Компаратор

порівнює сигнали з виходів ПВЗ і ЦАП і, якщо сигнал на виході ЦАП менше сигналу на виході ПВЗ, в порозрядному регістрі в старшому значному розряді (most-significant bit – MSB) збережеться одиниця. В іншому випадку замість одиниці буде записано нуль. У другому такті ЦАП формує сигнал, що дорівнює _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 кінця перетворення (EOC, DRDY, BUSY тощо). Типова часова діаграма роботи порозрядного АЦП наведено на рис. 3. Як випливає з цієї діаграми, порозрядні АЦП не мають затримки, характерної для конвеєрних або pipelined перетворювачів, що дозволяє використовувати їх у багатоканальному режимі або при кодуванні неперіодичних процесів в режимі одиничних вимірювань. Процес перетворення управляється за допомогою тактового генератора високої частоти, який може бути як внутрішнім, так і зовнішнім, при цьому не потрібна синхронізація даного генератора із запуском сигналу АЦП (CONVERT START).

Лінійність та технології

Лінійність порозрядних АЦП переважно залежить від якості внутрішнього ЦАП. У сучасних порозрядних АЦП використовуються ЦАП на основі комутованих конденсаторів. На відміну від зважених тонкоплівкових резисторів комутовані конденсатори не вимагають лазерного припасування. ТКЕ таких ЦАП не гірше 1 ppm/°C. Технологічний CMOS-процес, що використовується при побудові порозрядних АЦП, є ідеальним для створення аналогових ключів, що дозволяє розміщувати на одному кристалі вузли АЦП і мультиплексора. На рис. 4 наведено структурну схему порозрядного АЦП сімейства AD79x8. Вузол формування тимчасової діаграми (sequencer) управляє процесом перетворення вхідного сигналу у вибраному каналі. Таким чином, в одному кристалі виконані мультиплексор, і АЦП. Крім вибору потрібного каналу в порозрядному АЦП легко здійснюється режим самотестування та калібрування. Дані з виходу АЦП надходять на вхід наступного пристрою через послідовний інтерфейс, оскільки відсутня затримка у видачі коду, характерна для конвеєрних та сигма-дельта АЦП. Порозрядний АЦП може працювати в режимах одноразових і безперервних перетворень, перетворень під керуванням програми, а також по перериванню та в режимі прямого доступу до пам’яті.

Сигма-дельта АЦП для прецизійних промислових систем та вимірювальної апаратури .

Перетворювачі цього витіснили інтегруючі АЦП подвійного і потрійного інтегрування, що широко застосовувалися у вісімдесятих роках минулого століття. 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 плюс наявність у їх складі PGA-підсилювачів дозволяють безпосередньо (без проміжного перетворення) кодувати сигнали низького рівня з виходів температурних датчиків та датчиків тиску. Оптимальний вибір частоти вибірки дає змогу послабити вплив мережевої перешкоди. Застосування сигма-дельта АЦП дає можливість замінити порозрядний перетворювач із вимірювальним підсилювачем у сучасних ваговимірювальних та інших системах подібного призначення.

Особливості роботи сигма-дельта АЦП

До основних особливостей роботи сигма-дельта АЦП відносяться: надвибірка вхідного сигналу, що дозволяє зрушити 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 f _s повинна вдвічі перевищувати частоту вхідного сигналу. На рис. 5 б частота f _sу K разів перевищує частоту вхідного сигналу. Шум квантування, що виходить за кордон смуги вхідного сигналу, забирається 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, наведена базова структура сигма-дельта АЦП.

Сигма-дельта АЦП для телефонії та аудіосистем

Заміна звичайного АЦП модулятором дозволяє зрушити практично весь квантування шум в область, в якій відсутній корисний сигнал. Функціональна схема сигма-дельта модулятора першого порядку представлена ​​рис. 6. Базовими вузлами модулятора є однорозрядний АЦП, роль якого виконує компаратор, та однорозрядний ЦАП, роль якого виконує ключ. Вихідні дані представлені однобітовим цифровим потоком, причому середня кількість біт пропорційна значенню вхідного сигналу. Якщо рівень сигналу збільшиться, то число одиниць у коді числа теж збільшиться, і якщо сигнал зменшиться, то коді числа пропорційно збільшиться число нулів. Таким чином, число одиниць у цифровому потоці вихідних даних, віднесене до загальної кількості вибірок, завжди буде пропорційно до величини вхідного сигналу. Модулятор здійснює зсув шуму квантування, виконуючи функції ФНЧ для вхідного сигналу і функції ФВЧ для шуму квантування. Цифровий фільтр є частиною сигма-дельта АЦП та оптимізований для ослаблення мережевої перешкоди. Однак цей фільтр вносить затримку розповсюдження, характерну для конвеєрних АЦП, яку слід враховувати у багатоканальному режимі або при використанні АЦП у контурі керування.

У той час як інтегруючі АЦП ще застосовуються в сучасних вольтметрах, у системах промислових вимірів широко використовуються сигмадельта АЦП. Ці перетворювачі відрізняються високою перешкодою придушення і мають дозвіл до 24 двійкових розрядів. Наявність підсилювача PGA забезпечує передачу 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 збудливому сигналі 5 В. Традиційне рішення полягає у використанні вимірювального підсилювача і порозрядного АЦП з роздільною здатністю від 14 до 18 біт. Альтернативним такому рішенню є застосування сигма-дельта АЦП AD7799. Перетворення напруги 10 мВ на цифровий код забезпечується з точністю 16 розрядів і частотою вибірки 4.7 Гц. Логометричне знімання аналогового сигналу дозволяє виключити прецизійне опорне джерело (рис. 9).

Для того, щоб отримати необхідну точність при використанні сигма-дельта АЦП, слід приділити серйозну увагу процесу його налагодження, який набагато складніший за аналогічну процедуру для порозрядного перетворювача. Велике значення при цьому має програмне забезпечення та якість розведення друкованої плати. У той же час слід зазначити, що є безліч систем, в яких успішно можуть бути використані прості порозрядні АЦП з вимірювальним підсилювачем і мультиплексором на вході.

Сигма-дельта АЦП для телефонії та аудіосистем .

Крім 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, що послаблюють перешкоди, спричинені накладенням спектрів.

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

Конвеєрні АЦП високої швидкодії з частотою вибірки не менше 5 МГц.

На сьогоднішній день конвеєрні АЦП застосовуються не тільки для обробки зображень, але і для вирішення багатьох інших завдань. Слід зазначити, що ще 20 років тому ці завдання вирішувалися за допомогою паралельних або flash-АЦП, частота вибірки яких досягала 100 МГц, а роздільна здатність 8 розрядів. В даний час flash-АЦП є складовою конвеєрних перетворювачів і, як правило, не мають самостійного застосування. Виняток становлять АЦП із частотою вибірки понад 1 ГГц і роздільною здатністю 6-8 біт. Сьогодні швидкодіючі АЦП знаходять застосування у радіовимірювальних приладах (цифрових осцилографах, аналізаторах спектрів тощо) та медичній апаратурі. Крім того, такі АЦП використовуються у 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 двоступінчастого конвеєрного АЦП наведено на рис. 10. У його складі є загальний ПВЗ, два трирозрядних АЦП, ЦАП, пристрій, що віднімає, і підсилювач різницевого сигналу. Після першого циклу перетворення трирозрядний цифровий код перетворюється на аналоговий сигнал, який, у свою чергу, віднімається з вхідного, що знімається з виходу ПВЗ. Різнистий сигнал посилюється і кодується наступним щаблем 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 другого ступеня конвеєрного АЦП. Ідеальний стан відповідає рис. 11 а. У цьому випадку пропуски кодів при перетворенні сигналу першим ступенем відсутні. У разі пропуску кодів на вході другого ступеня АЦП спостерігається вихід сигналу межі поддиапазона (рис. 11, б). Передавальна характеристика всього АЦП у своїй матиме вигляд, наведений на діаграмі рис. 12. Для усунення цього недоліку до складу АЦП необхідно вводити ланцюга корекції, збільшуючи діапазон, а значить, і дозвіл другого ступеня конвеєрного АЦП. Крім того, повинна бути збільшена і точність віднімає ЦАП, яка повинна бути вище загальної точності конвеєрного перетворювача. Структурну схему конвеєрного АЦП з корекцією пропусків кодів наведено на рис. 13. Вона відрізняється тим, що завдяки одному УВХ немає затримки, т.к. сигнал на виході ПВЗ зберігається протягом повного циклу перетворення. Зазначимо, що дозвіл другого ступеня перетворення на один розряд більше, ніж першого, причому перетворювач включений коригуючий регістр.

Широко поширена на сьогодні структура конвеєрного АЦП із цифровою корекцією наведена на рис. 14. Кожний рівень перетворення такого АЦП працює протягом половини загального циклу перетворення. УВХ є у кожному щаблі і використовується як керована затримка і під час повного циклу перетворення.

Існує безліч варіантів структурної організації конвеєрних АЦП. Це стосується і кількості щаблів перетворення, і до розрядної сітки АЦП у кожному щаблі, і кількості додаткових коригувальних розрядів. Якщо дані від кожного ступеня перетворення надходять у регістри, що коректують, їх розрядність повинна бути збільшена. Так, наприклад, для першого ступеня потрібен семирозрядний регістр зсуву, для другого – шестирозрядний, для третього – п’ятирозрядний і т.д. Це збільшує загальну затримку першого відліку відповідно до тимчасової діаграми роботи АЦП AD9235, наведеної на рис. 15.

Для цього 12-розрядного перетворювача з частотою вибірки 65 МГц передбачено сім тактів затримки, яка, залежно від застосування, може викликати певні труднощі при використанні такого АЦП. Насамперед, це стосується контуру управління, в якому краще застосовувати порозрядні АЦП, або до багатоканальних вимірювальних систем. Однак у системах, для яких частота перетворення важливіша за час встановлення, бажано використовувати конвеєрні АЦП. Слід звернути увагу до мінімальну частоту вибірки конвеєрних АЦП. Чим вона менша, тим швидше розряджається ємність внутрішнього ПВЗ. Тому такі АЦП мають обмеження знизу частоту вибірки вхідного сигналу. Особливо небажано використання таких АЦП як одиночних перетворень. У таких режимах слід використовувати розрядні АЦП. Існує певна відмінність конвеєрних АЦП від багатоступінчастих, т.к. багатоступінчасті перетворювачі не завжди працюють за конвеєрним алгоритмом. Конвеєрний алгоритм використовується, якщо необхідно забезпечити максимальну швидкість перетворення вхідного сигналу. Гранична роздільна здатність сучасних конвеєрних АЦП становить 14 розрядів, частота вибірки 100 МГц.

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

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

Відношення сигнал/шум та динамічний діапазон неспотвореного сигналу для використовуваних у системах стільникового радіозв’язку АЦП визначаються для заданої проміжної частоти. Як вибрати необхідну частоту вибірки АЦП для заданої проміжної частоти показано на рис. 17. Частота вхідного сигналу лежить смузі 20 МГц, частота вибірки становить 60 МГц. Показано, як здійснюється зсув сигналу з третьої зони Найквіста з центральною частотою 75 МГц смугу частот з центральною частотою 15 МГц без застосування понижуючого перетворювача. Сучасні конвеєрні АЦП, такі як 14-розрядний АЦП AD9444 з частотою вибірки 80 МГц, відповідають вимогам до систем стільникового радіозв’язку. Дані АЦП мають динамічний діапазон неспотвореного сигналу 97 дБн та відношення сигнал/шум 73 дБ на частоті вхідного сигналу 70 МГц. Смуга частот цього АЦП становить 650 МГц.

Висновки:

• У статті розглянуто особливості порозрядних, сигма-дельта та конвеєрних перетворювачів. Структури таких перетворювачів відомі досить давно, проте останні успіхи в галузі мікроелектроніки дозволили суттєво підвищити параметри АЦП на основі розглянутих структурних рішень, причому їхня точність збільшилася в середньому більш ніж на порядок, а частота вибірки – на кілька порядків. Крім того, знизилося споживання 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 та вимірювальних приладах різного призначення завдяки відсутності затримки першого відліку, характерної конвеєрних перетворювачів.
• Сигма-дельта АЦП використовуються в прецизійних приладах, промислових вимірювальних системах, лічильниках електроенергії, системах управління двигунами та в аудіосистемах. Гранична роздільна здатність таких АЦП 24 розряду.
• Конвеєрні АЦП застосовуються в системах з частотою вибірки більше 5 МГц і роздільною здатністю не гірше 14 розрядів. Максимальна частота вибірки таких АЦП нині перевищує 100 МГц. Це дозволило використовувати дані перетворювачі в цифрових осцилографах, аналізаторах спектру, медичних системах з обробкою зображення, бездротових системах зв’язку, цифрових фотоапаратах, Tv високої чіткості і т.п. Для вивчення характеристик сучасних АЦП багато компаній-виробників, включаючи AnalogDevices, випускають спеціальні оціночні плати, що містять крім АЦП джерела тестових сигналів, ЦАП відновлення цифрових кодів, інтерфейси зв’язку з ПК тощо.

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