Вопрос: Может ли 16-разрядный АЦП поразрядного уравновешивания обеспечить динамический диапазон не менее 125 дБ при частоте выборки 600 кГц?
Да:
89 дБ (за счет 16-разрядного АЦП) + 18 дБ (за счет применения режима сверхвыборки) + 20 дБ (за счет использования на входе АЦП измерительного усилителя с программируемым коэффициентом усиления) = 127 дБ.
Если необходимо получить большой динамический диапазон, в измерительном канале используют, как правило, сигма-дельта АЦП. Такое решение характерно для применения преобразователей в химической промышленности, медицине, весоизмерительных приборах, где, как правило, не требуется большое быстродействие. Однако, когда требуется получить высокую скорость преобразования, такое решение не всегда приемлемо. На рис. 1 приведена функциональная схема АЦП, которая одновременно имеет большой динамический диапазон и высокую скорость преобразования.
В составе приведенной на рис. 1 схемы имеется 16-разрядный АЦП поразрядного уравновешивания и программируемый по цепи обратной связи измерительный усилитель, который, благодаря этому, имеет регулируемый коэффициент усиления от 1 до 100. Применение режима сверхвыборки и цифровой обработки сигналов на выходе АЦП, которую выполняет процессор на ПЛИС FPGA, динамический диапазон этого устройства достигает не менее 125 дБ. Автоматическое переключение коэффициента усиления обеспечивается в программируемом измерительном усилителе AD8253. Использование режима сверхвыборки позволяет в результате обработки увеличить отношение сигнал/шум (на 3 дБ после каждого удвоения частоты выборки по сравнению с частотой Найквиста). Принцип увеличения отношения сигнал/шум показан на рис. 2. Для обеспечения динамического диапазона более 125 дБ в схеме, приведенной на рис. 1, измерительный усилитель на входе АЦП должен иметь максимальный коэффициент усиления, равный 100. В этом случае уровень шума всего измерительного канала должен составлять не более 1 мкВ (с.к.з.) при входном сигнале 3 В или 6 В от пика к пику. АЦП AD7985 представляет собой 16-разрядный преобразователь поразрядного уравновешивания с максимальной частотой выборки 2.5 МГц.
Рис. 1. Схема поразрядного АЦП с автоматической регулировкой входного диапазона
Если частота выборки этого АЦП составляет 600 кГц (энергосберегающий режим с потреблемой мощностью не более 11 мВт), то для случая, когда частота выборки сигнала по Найквисту может быть не более 8 кГц, частота сверхвыборки преобразователя в 72 раза больше. В этом случае спектральная плотность шума АЦП составит 15.8 нВ/√Гц.
Рис. 2. Режим сверхвыборки сдвигает часть
шума АЦП в область сверхвысоких частот, которые обрезаются фильтром
Таким образом, если отношение сигнал/шум АЦП AD7985 составляет 89 дБ, а режим сверхвыборки добавляет еще 18 дБ, для заданного динамического диапазона 125 дБ необходимо еще добавить как минимум 19 дБ, что и обеспечивает включенный на входе АЦП программируемый измерительный усилитель. Отметим, что плотность шума измерительного усилителя AD8253 при коэффициенте усиления 100, составляет 11нВ/√Гц, а плотность шума усилителя-драйвера АЦП AD8021 составляет не более 2.1нВ/√Гц.
Рис. 3. Пример согласования входов усилителя
и АЦП при изменении амплитуды входного
сигнала, где G – коэффициент усиления
программируемого измерительного усилителя
Измерительный канал, кроме того, содержит опорный источник ADR439 с усилителем ADA4004-2 для формирования опорного сигнала. Ключевой задачей процессора на основе ПЛИС FPGA является управление переключением диапазонов измерительного усилителя, причем необходимо делать это таким образом, чтобы АЦП не переходил в режим насыщения. На рис. 3 показано, как должны быть согласованы входы программируемого измерительного усилителя, управляемого процессором, и АЦП при изменении амплитуды входного сигнала во времени.
ВЫВОДЫ
Для обеспечения большого динамического диапазона АЦП, превышающего 125 дБ, при высокой скорости изменения входного сигнала может быть использован быстродействующий поразрядный преобразователь с разрешением 16 бит и программируемым измерительным усилителем на входе. При этом применяется режим сверхвыборки АЦП, который позволяет увеличить отношение сигнал/шум.
Лайкнути
Твітнути