Как правильно выбрать АЦП?

Задача выбора оптимального АЦП достаточно сложна, так как на рынке электронных компонен­тов имеется множество преобразователей. Для того, чтобы сделать правильный выбор, необходимо дос­таточно хорошо разбираться в особенностях различ­ных АЦП. В настоящей публикации рассматриваются особенности АЦП и преимущества их применения в зависимости от предметной области.

У. Кестер

Области применения современных АЦП могут быть распределены следующим образом:

• системы сбора и обработки данных
• прецизионные измерительные приборы
• аудиосистемы и системы телефонной связи
• системы высокого быстродействия, для которых используют АЦП с частотой выборки более 5 МГц.

В перечисленных системах используются преоб­разователи поразрядного уравновешивания (succes­sive-approximation — SAR), сигма-дельта (sigma-delta — Е-Д) и конвейерные (pipelined) АЦП.

На рис. 1 показаны области применения каждого из типов АЦП, а также их предельные параметры по точности и частоте выборки, причем пунктирной ли­нией ограничены сверху преобразователи, которые доступны на рынке электронных компонентов, начи­ная с середины 2005 г. Несмотря на то, что существу­ет перекрытие по техническим параметрам разных типов АЦП, выбор того или иного преобразователя зависит еще и от области его применения.

Рис. 1. Области применения АЦП различных типов

Поразрядные АЦП для систем сбора и обра­ботки данных. Поразрядные АЦП наиболее часто ис­пользуются в многоканальных системах сбора и обра­ботки данных. Разрешение современных АЦП пораз­рядного уравновешивания составляет от 8 до 18 раз­рядов с частотой выборки до нескольких мегагерц. Предельными параметрами среди преобразователей данного класса обладают АЦП AD7621 (точность 16 разрядов и частота выборки 3 МГц) и AD7641 (точ­ность 18 разрядов и частота выборки 2 МГц). Боль­шинство поразрядных АЦП имеют последовательный интерфейс типа I²C или SPI, однако некоторые из них могут иметь параллельный интерфейс, что приводит к увеличению числа выводов и размеров корпуса.

Базовая структурная схема поразрядного АЦП приведена на рис. 2. Для того, чтобы входной сигнал в процессе поразрядного уравновешивания оставал­ся неизменным, в структуру такого АЦП вводят УВХ. По сигналу запуска ЦАП, имеющийся в составе АЦП, устанавливается в средней точке шкалы. Компаратор

сравнивает сигналы с выходов УВХ и ЦАП и, если сиг­нал на выходе ЦАП меньше сигнала на выходе УВХ, в поразрядном регистре в старшем значащем разряде (most-significant bit — MSB) сохранится единица. В противном случае вместо единицы будет записан ноль. Во втором такте ЦАП формирует сигнал, равный ¹/₄ (или ³/₄) шкалы, в третьем — ¹/₈ (или ³/₈) шкалы и т.д. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока все разряды АЦП не будут определены. В конце этого процесса формируется сигнал конца преобра­зования (EOC, DRDY, BUSY и т.д.). Типовая временная диаграмма работы поразрядного АЦП приведена на рис. 3. Как следует из этой диаграммы, поразрядные АЦП не имеют задержки, характерной для конвейер­ных или “pipelined” преобразователей, что позволяет использовать их в многоканальном режиме или при кодировании непериодических процессов в режиме единичных измерений. Процесс преобразования уп­равляется с помощью тактового генератора высокой частоты, который может быть как внутренним, так и внешним, при этом не требуется синхронизация дан­ного генератора с сигналами запуска АЦП (CONVERT START).

Рис. 2. Базовая структурная схема поразрядного АЦП

Рис. 3. Временная диаграмма работы поразрядного АЦП

Линейность поразрядных АЦП в основном зависит от качества внутреннего ЦАП. В современных пораз­рядных АЦП используются ЦАП на основе коммутиру­емых конденсаторов. В отличие от взвешенных тон­копленочных резисторов коммутируемые конденса­торы не требуют лазерной подгонки. ТКЕ таких ЦАП не хуже 1 ppm/°C. Используемый при построении по­разрядных АЦП технологический CMOS-процесс яв­ляется идеальным для создания аналоговых ключей, что позволяет размещать на одном кристалле узлы АЦП и мультиплексора. На рис. 4 приведена струк­турная схема поразрядного АЦП семейства AD79x8. Узел формирования временной диаграммы (se­quencer) управляет процессом преобразования вход­ного сигнала в выбранном канале. Таким образом, в одном кристалле выполнены и мультиплексор, и АЦП. Кроме выбора нужного канала в поразрядном АЦП легко осуществляется режим самотестирования и ка­либровки. Данные с выхода АЦП поступают на вход последующего устройства через последовательный интерфейс, так как отсутствует задержка в выдаче ко­да, характерная для конвейерных и сигма-дельта АЦП. Поразрядный АЦП может работать в режимах однократных и непрерывных преобразований, преоб­разований под управлением программы, а также по прерыванию и в режиме прямого доступа к памяти.

Рис. 4. Функциональная схема поразрядного АЦП семейства AD79xх

Сигма-дельта АЦП для прецизионных про­мышленных систем и измерительной аппарату­ры. Преобразователи этого типа вытеснили широко применявшиеся в восьмидесятых годах прошлого столетия интегрирующие АЦП двойного и тройного интегрирования. Основное назначение сигма-дельта преобразователя — системы с разрешением от 16 до 24 двоичных разрядов с частотой выборки от единиц до сотен герц. Высокое разрешение плюс наличие в их составе PGA-усилителей позволяют непосред­ственно (без промежуточного преобразования) коди­ровать сигналы низкого уровня с выходов темпера­турных датчиков и датчиков давления. Оптимальный выбор частоты выборки позволяет ослабить влияние сетевой помехи. Применение сигма-дельта АЦП дает возможность заменить поразрядный преобразова­тель с измерительным усилителем в современных весоизмерительных и других системах подобного назначения. К основным особенностям работы сигма- дельта АЦП относятся: сверхвыборка входного сигна­ла, позволяющая сдвинуть шум квантования в область высоких частот; цифровая фильтрация и децимация выходных данных. На рис. 5, а показано распределе­ние шума квантования при частоте выборки, соответ­ствующей теореме Найквиста (Котельникова), сог­ласно которой частота выборки f_s должна вдвое пре­вышать частоту входного сигнала. На рис. 5, б частота f_s в K раз превышает частоту входного сигнала. Шум квантования, выходящий за границу полосы входного сигнала, убирается цифровым фильтром, а затем час­тота цифровых отсчетов уменьшается в K раз (т.е. происходит децимация отсчетов). Это позволяет увеличить отношение сигнал/шум, например, на 3 дБ, если частота выборки вдвое превышает частоту, соот­ветствующую частоте Найквиста. С каждым последу­ющим удвоением этой частоты отношение сиг- нал/шум будет увеличиваться еще на 3 дБ. На рис. 5, в приведена базовая структура сигма-дельта АЦП. Замена обычного АЦП модулятором позволяет сдвинуть практически весь шум квантования в об­ласть, в которой отсутствует полезный сигнал. Функ­циональная схема сигма-дельта модулятора первого порядка представлена на рис. 6. Базовыми узлами модулятора являются одноразрядный АЦП, роль ко­торого выполняет компаратор, и одноразрядный ЦАП, роль которого выполняет ключ. Выходные данные представлены однобитовым цифровым потоком, при­чем среднее число бит пропорционально значению входного сигнала. Если уровень сигнала увеличится, то число единиц в коде числа тоже увеличится, а если сигнал уменьшится, то в коде числа пропорционально увеличится число нулей. Таким образом, число еди­ниц в цифровом потоке выходных данных, отнесенное к общему количеству выборок, всегда будет пропор­ционально величине входного сигнала. Модулятор также осуществляет сдвиг шума квантования, выпол­няя функции ФНЧ для входного сигнала и функции ФВЧ для шума квантования. Цифровой фильтр явля­ется частью сигма-дельта АЦП и оптимизирован для ослабления сетевой помехи. Однако этот фильтр вно­сит задержку распространения, характерную для кон­вейерных АЦП, которую следует учитывать в многока­нальном режиме или при использовании АЦП в конту­ре управления.

Рис. 5 Ослабление шума квантования в сигма-дельта АЦП: выборка сигналов с частотой Найквиста в обычном АЦП (а), обычный АЦП со сверхвыборкой (б), сигма-дельта АЦП со сверхвыборкой (в)

Рис. 6. Функциональная схема сигма-дельта АЦП с модулятором первого порядка

Рис. 7. Функциональная схема сигма-дельта АЦП с модулятором второго порядка (а) и график сдвига шума квантования в область ВЧ (б)

В то время как интегрирующие АЦП еще применя­ются в современных вольтметрах, в системах про­мышленных измерений широко используются сигма- дельта АЦП. Эти преобразователи отличаются высо­ким помехоподавлением и имеют разрешение до 24 двоичных разрядов. Наличие PGA-усилителя обеспе­чивает передачу аналогового сигнала от мостового датчика без промежуточного преобразования.

На рис. 8 приведена упрощенная схема тензомет­ра, полная шкала которого составляет 10 мВ при наг­рузке 2 кГ и возбуждающем сигнале 5 В. Традицион­ное решение состоит в использовании измерительно­го усилителя и поразрядного АЦП с разрешением от 14 до 18 бит. Альтернативным такому решению явля­ется применение сигма-дельта АЦП AD7799. Преоб­разование напряжения 10 мВ в цифровой код обес­печивается с точностью 16 разрядов и частотой вы­борки 4.7 Гц. Логометрический съем аналогового сигнала позволяет исключить прецизионный опорный источник (рис. 9).

Рис. 8. Упрощенная схема тензометра (а), мостовая схема съема напряжения (б)

Для того, чтобы получить необходимую точность при использовании сигма-дельта АЦП, следует уде­лить серьезное внимание процессу его отладки, кото­рый гораздо сложнее аналогичной процедуры для по­разрядного преобразователя. Большое значение при этом имеет программное обеспечение и качество разводки печатной платы. В то же время следует от­метить, что имеется множество систем, в которых с успехом могут быть использованы простые поразряд­ные АЦП с измерительным усилителем и мультиплек­сором на входе.

Сигма-дельта АЦП для телефонии и аудиосис­тем. Кроме перечисленных областей применения сигма-дельта АЦП широко используются в телефонии и аудиосистемах. Основным преимуществом таких АЦП является то, что сверхвыборка приводит к суще­ственному упрощению фильтров, ослабляющих поме­хи, вызванные наложением спектров.

Рис. 9. Схема сопряжения мостового сенсора с сигма-дельта АЦП

В современных цифровых спутниковых системах связи широко используются сигма-дельта АЦП и ЦАП. Кроме кодеков они применяются в системах обработ­ки речи, шифровании информации и т.п. К перечис­ленным примерам можно добавить FM-стереосисте­мы, аудиосистемы в составе ПК, цифровые магнито­фоны и DVD-аудиосистемы. Отношение сигнал/шум плюс искажения в таких АЦП достигает 100 дБ, а час­тота выборки составляет 48 или 192 кГц.

Конвейерные АЦП высокого быстродействия с частотой выборки не менее 5 МГц. На сегодняш­ний день конвейерные АЦП применяются не только для обработки изображений, но и для решения мно­гих других задач. Следует отметить, что еще 20 лет назад эти задачи решались с помощью параллельных или flash-АЦП, частота выборки которых достигала 100 МГц, а разрешение 8 разрядов. В настоящее время flash-АЦП являются составной частью кон­вейерных преобразователей и, как правило, не имеют самостоятельного применения. Исключение состав­ляют АЦП с частотой выборки более 1 ГГц и разреше­нием 6-8 бит. Сегодня быстродействующие АЦП нахо­дят применение в радиоизмерительных приборах (цифровых осциллографах, анализаторах спектров и т.п.) и медицинской аппаратуре. Кроме того, такие АЦП используются в цифровых приемниках средств связи (базовых станциях, радарах, адаптерах цифро­вого телевидения), в бытовой электронике (цифровых фотоаппаратах, DVD-плейерах, телевидении высокой четкости и т.п.). Структурная схема 6-разрядного двухступенчатого конвейерного АЦП приведена на рис. 10. В его составе имеются общий УВХ, два трехразрядных АЦП, ЦАП, вычитающее устройство и усилитель разностного сиг­нала. После первого цикла преобразования трехразрядный цифровой код преоб­разуется в аналоговый сигнал, который, в свою очередь, вычитается из входного, снимаемого с выхода УВХ. Разностный сигнал усиливается и кодируется следую­щей ступенью flash-АЦП. Таким образом, за два такта преобразования формируется 6-разрядный код, эквивалентный сигналу на входе АЦП. На рис. 11 приведена форма сигнала на входе второй ступени конвейерного АЦП. Идеальному состоянию соответству­ет рис. 11, а. В этом случае пропуски кодов при пре­образовании сигнала первой ступенью отсутствуют. В случае пропуска кодов на входе второй ступени АЦП наблюдается выход сигнала за пределы поддиапазо­на (рис. 11, б). Передаточная характеристика всего АЦП при этом будет иметь вид, приведенный на диаг­рамме рис. 12. Для устранения этого недостатка в состав АЦП необходимо вводить цепи коррекции, увеличивая диапазон, а значит, и разрешение второй ступени конвейерного АЦП. Кроме того, должна быть увеличена и точность вычитающего ЦАП, которая должна быть выше общей точности конвейерного преобразователя. Структурная схема конвейерного АЦП с коррекцией пропусков кодов приведена на рис. 13. Она отличается тем, что благодаря одному УВХ не имеет задержки, т.к. сигнал на выходе УВХ хра­нится в течение полного цикла преобразования. От­метим, что разрешение второй ступени преобразова­ния на один разряд больше, чем первой, причем в преобразователь включен корректирующий регистр.

Рис. 10. Шестиразрядный двухступенчатый pipelined АЦП

Рис. 11. Идеальная (а) и реальная (б) диаграммы разностного сигнала на входе второй ступени преобразования

Рис. 12. Передаточная характеристика двухступенчатого АЦП

Рис. 13. Структурная схема шестиразрядного pipelined (конвейерного) АЦП с коррекцией погрешности

Широко распространенная на сегодня структура конвейерного АЦП с цифровой коррекцией приведена на рис. 14. Каждая ступень преобразования такого АЦП работает в течение половины общего цикла пре­образования. УВХ имеется в каждой ступени и ис­пользуется как управляемая задержка при выполне­нии полного цикла преобразования.

Рис. 14. Структурная схема многоразрядного конвейерного АЦП с коррекцией погрешности

Рис. 15. Временная диаграмма работы АЦП AD9235

Существует множество вариантов структурной ор­ганизации конвейерных АЦП. Это относится и к коли­честву ступеней преобразования, и к разрядной сетке АЦП в каждой ступени, и к количеству дополнитель­ных корректирующих разрядов. Если данные от каж­дой ступени преобразования поступают в корректи­рующие регистры, их разрядность должна быть уве­личена. Так, например, для первой ступени требуется семиразрядный сдвиговый регистр, для второй — шестиразрядный, для третьей — пятиразрядный и т.д. Это увеличивает общую задержку первого отсчета в соответствии с временной диаграммой работы АЦП AD9235, приведенной на рис. 15.

Для этого 12-разрядного преобразователя с час­тотой выборки 65 МГц предусмотрено семь тактов за­держки, которая в зависимости от применения может вызвать определенные трудности при использовании такого АЦП. Прежде всего, это относится к контуру управления, в котором предпочтительнее применять поразрядные АЦП, или к многоканальным измери­тельным системам. Однако в системах, для которых частота преобразования важнее времени установле­ния, желательно использовать конвейерные АЦП. Следует обратить внимание на минимальную частоту выборки конвейерных АЦП. Чем она меньше, тем быстрее разряжается емкость внутреннего УВХ. Поэ­тому такие АЦП имеют ограничение снизу на частоту выборки входного сигнала. Особенно нежелательно использование таких АЦП в режиме одиночных преоб­разований. В таких режимах следует использовать поразрядные АЦП. Существует некоторое отличие конвейерных АЦП от многоступенчатых, т.к. многосту­пенчатые преобразователи не всегда работают по конвейерному алгоритму. Конвейерный алгоритм ис­пользуется, если требуется обеспечить максималь­ную скорость преобразования входного сигнала. Пре­дельное разрешение современных конвейерных АЦП составляет 14 разрядов, частота выборки 100 МГц.

Рис. 16. Функциональные схемы приемника (а) и передатчика (б) для систем цифровой радиосвязи

. Они применяются не только для повышения скорости преобразования, но и для увеличения отношения сигнал/шум и расширения динамического диапазона не­искаженного сигнала. Это важно для систем сотовой радиосвязи и, прежде всего, для организации приемников и передатчиков базовых станций. Функциональ­ные схемы приемника и передатчика с выборкой сиг­налов промежуточной частоты приведены на рис. 16. В таких устройствах имеется много частотных кана­лов, сигналы которых кодируются одновременно од­ним АЦП. Полоса такого АЦП должна быть не уже 20 МГц. Все операции фильтрации, настройки, разде­ления каналов осуществляются цифровым сигналь­ным процессором (DSP). Такая организация прие- ма/передачи данных исключает необходимость транс­понирования спектра в более низкочастотную область и позволяет все необходимые операции выполнять в цифровом виде. Подобным образом организованы средства связи в стандартах GSM, CDMA, EDGE. Отли­чие состоит в прикладном программном обеспечении.

На вход преобразователей в полосе частот, задан­ной в каждом из перечисленных стандартов, могут поступать как полезные сигналы, так и помехи. При этом сами АЦП не должны генерировать комбинаци­онные составляющие интермодуляционных искаже­ний, которые маскируют полезные сигналы с мень­шей амплитудой. Отношение максимального сигнала помехи к минимальному полезному сигналу опреде­ляет требования к динамическому диапазону неиска­женного сигнала. Кроме того, отношение сигнал/шум АЦП должно соответствовать чувствительности при­емника, определяемой требованиями стандарта.

Рис. 17. Диаграмма выборки сигналов в полосе частот 20 МГц с несущей 75 МГц и частотой выборки 60 МГц

Отношение сигнал/шум и динамический диапазон неискаженного сигнала для используемых в системах сотовой радиосвязи АЦП определяются для заданной промежуточной частоты. Как выбрать необходимую частоту выборки АЦП для заданной промежуточной частоты показано на рис. 17. Частота входного сигна­ла лежит в полосе 20 МГц, частота выборки составля­ет 60 МГц. Показано, как осуществляется сдвиг сигна­ла из третьей зоны Найквиста с центральной частотой 75 МГц в полосу частот с центральной частотой 15 МГц без применения понижающего преобразователя. Современные конвейерные АЦП, такие как 14-разрядный АЦП AD9444 с частотой выборки 80 МГц, отве­чают требованиям, предъявляемым к системам сото­вой радиосвязи. Данные АЦП имеют динамический диапазон неискаженного сигнала 97 дБн и отноше­ние сигнал/шум 73 дБ на частоте входного сигнала 70 МГц. Полоса частот этого АЦП составляет 650 МГц.

Выводы:

• В статье рассмотрены особенности поразряд­ных, сигма-дельта и конвейерных преобразователей. Структуры таких преобразователей известны доста­точно давно, однако последние успехи в области мик­роэлектроники позволили существенно повысить па­раметры АЦП на основе рассмотренных структурных решений, причем их точность увеличилась в среднем более чем на порядок, а частота выборки — на нес­колько порядков. Кроме того, снизилось потребление этих АЦП, уменьшились размеры и стоимость.
• Поразрядные АЦП в настоящее время имеют предельную точность 18 разрядов и частоту выборки 3 МГц. Они широко используются в многоканальных системах сбора данных и измерительных приборах различного назначения благодаря отсутствию заде­ржки первого отсчета, характерной для конвейерных преобразователей.
• Сигма-дельта АЦП используются в прецизион­ных приборах, промышленных измерительных систе­мах, в счетчиках электроэнергии, системах управле­ния двигателями и в аудиосистемах. Предельное раз­решение таких АЦП 24 разряда.
• Конвейерные АЦП применяются в системах с частотой выборки более 5 МГц и разрешением не ху­же 14 разрядов. Максимальная частота выборки таких АЦП на сегодняшний день превышает 100 МГц. Это позволило использовать данные преобразователи в цифровых осциллографах, анализаторах спектра, ме­дицинских системах с обработкой изображения, в беспроводных системах связи, цифровых фотоаппа­ратах, в Tvвысокой четкости и т.п. Для изучения ха­рактеристик современных АЦП многие компании- производители, включая AnalogDevices, выпускают специальные оценочные платы, содержащие кроме АЦП источники тестовых сигналов, ЦАП для восста­новления цифровых кодов, интерфейсы для связи с ПК и т.п.

В последнее время ряд фирм, в том числе и Analog Devices, поставляют так называемые виртуальные оценочные платы, которые с помощью специального программного обеспечения дают возможность оце­нить параметры предполагаемых к использованию АЦП без физического моделирования и макетирова­ния базовых узлов. Виртуальные платы поставляются, как правило, бесплатно.