КАК РЕАЛИЗОВАТЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ РЕЖИМ В АЦП ПРИ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

В высокоточных измерениях используются либо поразрядные АЦП, либо сигма-дельта преобразователи. В приложениях с низким энергопотреблением важен каждый милливатт, который можно сэкономить.

Применение сигма-дельта АЦП для таких приложений Сигма-дельта АЦП имеют несколько преимуществ по сравнению с поразрядными преобразователями. Во-первых, они, как правило, имеют более высокое разрешение. Кроме того, они часто включают усилители с программируемым усилением (PGA усилители). Таким образом, сигма-дельта АЦП хорошо подходят для постоянного или низкочастотного измерения сигналов с высокой точностью. Однако из-за высокой фиксированной частоты передискретизации сигма-дельта АЦП, как правило, имеют более высокое энергопотребление, что приводит к меньшему сроку их службы без подзарядки батарейного питания.

Если входное напряжение мало и находится в диапазоне нескольких милливольт, его сначала необходимо усилить. С этой целью используется аналоговый интерфейс в составе такого АЦП с PGA усилителем на входе. Например, для подключения малых напряжений с выхода мостовой схемы к входу сигма-дельта АЦП с входным диапазоном 2,5 В PGA усилитель должен иметь коэффициент усиления не менее 250. Однако это приводит к дополнительным шумам на входе АЦП, поскольку шумовое напряжение также усиливается.

Таким образом, эффективное разрешение 24-раз- рядного сигма-дельта АЦП резко снижается иногда до 12 достоверных разрядов. Еще одним недостатком сигма-дельта АЦП является более высокая стоимость по сравнению с аналогичным по точности поразрядным преобразователем.

Преимущества применения поразрядного АЦП с измерительным усилителем на входе для высокоточного преобразования сигналов

Более экономичной и эффективной альтернативой сигма-дельта АЦП является поразрядный преобразователь с измерительным усилителем на входе, рис. 1, который обеспечивает практически та- кую же точность при кодировании сигналов низкого уровня, что и сигма-дельта АЦП.

Рис. 1 Схема подключения поразрядного АЦП (SAR-ADC) к измерительному усилителю (In-Amp) на входе

Работу поразрядного АЦП можно разделить на два цикла. В первом цикле происходит выборка сиг- нала, во втором – преобразование аналогового входного сигнала в цифровой код. В цикле выборки потребление АЦП невелико.  В большинстве поразрядных АЦП в этом цикле может быть отключено питание. Таким образом, поразрядный АЦП потребляет большую часть энергии в цикле преобразования. Потребляемая мощность АЦП линейно зависит от частоты дискретизации. В энергосберегающих приложениях для измерения сигналов с малой скоростью изменения, например, сигналов с выхода датчиков температуры или влажности, целесообразно использовать низкую скорость преобразования, чтобы поддерживать минимальную величину потребляемого тока. На рис. 2 в качестве примера показано потребление мощности поразрядного АЦП типа AD4003 при различных частотах дискретизации. Например, при частоте дискретизации 1кГц потребление этого АЦП не превышает 10 мкВт; при частоте дискретизации 1 МГц потребление АЦП увеличивается до 10 мВт.

Рис. 2. Потребляемая мощность поразрядным АЦП AD4003 в зависимости от частоты дискретизации

Сигма-дельта АЦП за счет передискретизации обладает преимуществами по сравнению с поразрядными АЦП, т.к. в нем используется гораздо более высокая частота дискретизации от внутреннего генератора, чем частота выдачи выходного кода.

Это позволяет оптимизировать частоту выборки (дискретизации) для более высокой скорости входного сигнала правда с худшими шумовыми характеристиками, а для низкой скорости входного сигнала максимально  использовать преимущества сдвига шума в полосу частот за пределами полезного сиг- нала. Однако большая частота передискретизации приводит к более высокому энергопотреблению сигма-дельта АЦП по сравнению с поразрядным преобразователем. Отметим, что число достоверных двоичных разрядов при разной скорости пре- образования для ИМС сигма-дельта АЦП приведено в технической документации, что позволяет оптимизировать выбор типа АЦП при проектировании изделий с высокой точностью и низким потреблением.

ВЫВОДЫ

Сигма-дельта АЦП с встроенным  PGA усилителем и поразрядные АЦП с измерительным усилителем на входе используются для высокоточного пре- образования напряжений. Оба решения обеспечивают практически одинаковую точность. Однако для энергосберегающих приложений с батарейным питанием поразрядные АЦП предпочтительнее, поскольку они обеспечивают более низкое энергопотребление и более низкие стоимостные затраты по сравнению с решениями на основе сигма-дельта АЦП. Кроме того, применение PGA усилителя с высоким коэффициентом усиления на входе сигма- дельта АЦП, как правило, ограничивает общую точность преобразования, поскольку одновременно с полезным сигналом происходит усиление шума в цепи измерения сигнала.