ویژگی های اصلی ADC. تبدیل اطلاعات آنالوگ به دیجیتال

مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یکی از مهمترین قطعات الکترونیکی در تجهیزات اندازه گیری و آزمایش است. ADC ولتاژ (سیگنال آنالوگ) را به کدی تبدیل می کند که ریزپردازنده و نرم افزار اقدامات خاصی را روی آن انجام می دهند. حتی اگر فقط با سیگنال های دیجیتال کار می کنید، به احتمال زیاد از یک ADC در اسیلوسکوپ خود برای پیدا کردن ویژگی های آنالوگ آنها استفاده می کنید.

چندین نوع اساسی از معماری ADC وجود دارد، اگرچه در هر نوع تغییرات زیادی نیز وجود دارد. انواع مختلف تجهیزات اندازه گیری از انواع مختلف ADC استفاده می کنند. به عنوان مثال، یک اسیلوسکوپ دیجیتال از نرخ نمونه برداری بالایی استفاده می کند اما به وضوح بالایی نیاز ندارد. مولتی مترهای دیجیتال به وضوح بیشتری نیاز دارند، اما می توانید سرعت اندازه گیری را قربانی کنید. سیستم‌های جمع‌آوری داده با هدف عمومی معمولاً از نظر نرخ نمونه و وضوح بین اسیلوسکوپ‌ها و مولتی‌مترهای دیجیتال رتبه‌بندی می‌شوند. این نوع تجهیزات از یک ADC تقریبی متوالی یا یک ADC سیگما-دلتا استفاده می کنند. همچنین ADC های موازی برای برنامه هایی که نیاز به پردازش سیگنال آنالوگ با سرعت بالا و ادغام ADC با وضوح بالا و کاهش نویز دارند وجود دارد.

ADC های فشاری دارای دقت بالا و وضوح بالایی هستند و همچنین ساختار نسبتاً ساده ای دارند. این امر امکان پیاده سازی آنها را در قالب مدارهای مجتمع فراهم می کند. عیب اصلی چنین ADCهایی زمان تبدیل طولانی است که به دلیل اتصال دوره یکپارچه سازی به مدت زمان دوره منبع تغذیه است. به عنوان مثال، برای تجهیزات 50 هرتز، نرخ نمونه برداری ADC فشاری از 25 نمونه در ثانیه تجاوز نمی کند. البته چنین ADCهایی می توانند با نرخ نمونه برداری بالاتری نیز کار کنند، اما با افزایش دومی، ایمنی نویز کاهش می یابد.

مشخصات ADC

تعاریف کلی وجود دارد که معمولاً در رابطه با مبدل های آنالوگ به دیجیتال استفاده می شود. با این حال، مشخصات ارائه شده در مستندات فنی سازندگان ADC می تواند نسبتاً گیج کننده به نظر برسد. انتخاب صحیح ADC که از نظر ویژگی های آن برای یک کاربرد خاص بهینه است، نیاز به تفسیر دقیق داده های ارائه شده در اسناد فنی دارد.

متداول‌ترین پارامترهایی که اشتباه گرفته می‌شوند وضوح و دقت هستند، اگرچه این دو ویژگی یک ADC واقعی بسیار ضعیف با هم مرتبط هستند. وضوح با دقت یکسان نیست، یک ADC 12 بیتی ممکن است دقت کمتری نسبت به یک ADC 8 بیتی داشته باشد. برای یک ADC، وضوح معیاری است از اینکه محدوده ورودی سیگنال آنالوگ اندازه‌گیری شده به چند بخش تقسیم می‌شود (به عنوان مثال، برای یک ADC 8 بیتی، این 2 8 = 256 قطعه است). دقت انحراف کل نتیجه تبدیل را از مقدار ایده آل آن برای یک ولتاژ ورودی مشخص مشخص می کند. یعنی وضوح قابلیت های بالقوه ADC را مشخص می کند و مجموعه پارامترهای دقت امکان چنین قابلیت بالقوه ای را تعیین می کند.

ADC سیگنال آنالوگ ورودی را به یک کد دیجیتال خروجی تبدیل می کند. برای مبدل‌های واقعی که به شکل مدارهای مجتمع ساخته می‌شوند، فرآیند تبدیل ایده‌آل نیست: هم تحت تأثیر گسترش تکنولوژیکی پارامترها در طول تولید و هم از تداخل خارجی مختلف است. بنابراین کد دیجیتال در خروجی ADC با خطا مشخص می شود. مشخصات ADC نشان دهنده خطاهایی است که خود مبدل می دهد. معمولا به دو دسته استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند. در عین حال، این کاربرد نهایی است که تعیین می کند کدام ویژگی ADC تعیین کننده در نظر گرفته می شود، مهمترین آنها در هر مورد خاص.

خطای استاتیک

در بیشتر کاربردها، یک ADC برای اندازه‌گیری یک سیگنال با فرکانس پایین و به آرامی در حال تغییر (به عنوان مثال از یک سنسور دما، سنسور فشار، گیج فشار، و غیره) استفاده می‌شود، زمانی که ولتاژ ورودی متناسب با یک کمیت فیزیکی ثابت است. در اینجا نقش اصلی را خطای اندازه گیری استاتیک ایفا می کند. در مشخصات ADC، این نوع خطا با خطای افزایشی (Offset)، خطای ضربی (Full-Scale)، غیر خطی بودن دیفرانسیل (DNL)، غیرخطی انتگرال (INL) و خطای کوانتیزاسیون تعریف می شود. این پنج ویژگی به شما امکان می دهد تا خطای استاتیکی ADC را به طور کامل توصیف کنید.

پاسخ انتقال ایده آل ADC

مشخصه انتقال یک ADC تابعی از وابستگی کد در خروجی ADC به ولتاژ ورودی آن است. چنین نموداری یک تابع خطی تکه تکه از 2 N "گام" است، که در آن N عمق بیت ADC است. هر بخش افقی این تابع با یکی از مقادیر کد خروجی ADC مطابقت دارد (شکل 7 را ببینید). اگر ابتدای این بخش های افقی را با خطوط (در مرزهای انتقال از یک مقدار کد به مقدار دیگر) وصل کنیم، مشخصه انتقال ایده آل یک خط مستقیم خواهد بود که از مبدا می گذرد.

غیر خطی بودن دیفرانسیل

برای مشخصه انتقال ADC ایده آل، عرض هر "گام" باید یکسان باشد. تفاوت در طول بخش های افقی این تابع خطی تکه تکه از 2 N "گام" یک غیر خطی دیفرانسیل (DNL) است.

مقدار کم اهمیت ترین بیت ADC V ref / 2 N است که در آن V ref ولتاژ مرجع است و N وضوح ADC است. اختلاف ولتاژ بین هر انتقال کد باید برابر با مقدار LSB باشد. انحراف این تفاوت از LSB به عنوان غیر خطی بودن دیفرانسیل تعریف می شود. در شکل، این به صورت شکاف های نابرابر بین "مراحل" کد، یا به صورت "تار" مرزهای انتقال در مشخصه انتقال ADC نشان داده شده است.

غیر خطی بودن انتگرال

غیرخطی انتگرال (INL) خطایی است که ناشی از انحراف تابع خطی مشخصه انتقال ADC از یک خط مستقیم است، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 12 . به طور معمول، یک تابع انتقال با یک غیر خطی انتگرال با یک خط مستقیم با استفاده از روش حداقل مربعات تقریب می شود. اغلب خط مستقیم مناسب به سادگی کوچکترین و بزرگترین مقادیر را به هم متصل می کند. غیر خطی بودن انتگرال با مقایسه ولتاژهایی که در آن انتقال کد رخ می دهد تعیین می شود. برای یک ADC ایده آل، این انتقال ها در ولتاژهای ورودی که دقیقا مضرب LSB هستند، رخ می دهد. و برای یک مبدل واقعی، چنین شرطی می تواند با خطا برآورده شود. تفاوت بین سطوح ولتاژ "ایده آل" که در آن انتقال کد رخ می دهد و مقادیر واقعی آنها در واحدهای LSB بیان می شود و غیرخطی انتگرال نامیده می شود.

خطای کوانتیزاسیون

یکی از مهم ترین مولفه های خطا در اندازه گیری های ADC، خطای کوانتیزاسیون، نتیجه خود فرآیند تبدیل است. خطای کوانتیزاسیون خطای ناشی از مقدار مرحله کوانتیزاسیون است و به عنوان ½ از کمترین مقدار بیت مهم (LSB) تعریف می شود. نمی توان آن را در تبدیل های آنالوگ به دیجیتال مستثنی کرد، زیرا بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند تبدیل است، با وضوح ADC تعیین می شود و از ADC به ADC با وضوح برابر تغییر نمی کند.

ویژگی های دینامیکی

مشخصه‌های دینامیکی یک ADC معمولاً با استفاده از تجزیه و تحلیل طیفی، از نتایج انجام تبدیل فوریه سریع (FFT) روی آرایه‌ای از مقادیر خروجی ADC مربوط به برخی از سیگنال‌های ورودی آزمایشی تعیین می‌شوند.

این اعوجاج به عنوان اعوجاج هارمونیک کل (THD) تعریف می شود. آنها به این صورت تعریف می شوند:

مقدار اعوجاج هارمونیک در فرکانس های بالا تا جایی کاهش می یابد که دامنه هارمونیک ها از سطح نویز کمتر می شود. بنابراین، اگر سهم اعوجاج هارمونیک را در نتایج تبدیل تجزیه و تحلیل کنیم، می توانیم این کار را در کل طیف فرکانس انجام دهیم، در حالی که دامنه هارمونیک ها را با سطح نویز محدود می کنیم، یا با محدود کردن پهنای باند برای تجزیه و تحلیل. به عنوان مثال، اگر سیستم ما دارای یک فیلتر پایین گذر باشد، به سادگی به فرکانس های بالا علاقه نداریم و هارمونیک های فرکانس بالا مشمول حسابداری نمی شوند.

نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج

نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج (SiNAD) به طور کامل ویژگی های نویز یک ADC را توصیف می کند. SiNAD میزان نویز و اعوجاج هارمونیک را در رابطه با سیگنال مفید در نظر می گیرد. SiNAD با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

محدوده دینامیکی عاری از هارمونیک

مشخصات ADC که در مستندات فنی ریزمدارها ارائه شده است، به انتخاب منطقی مبدل برای یک برنامه خاص کمک می کند. به عنوان مثال، مشخصات ADC ادغام شده در میکروکنترلر جدید C8051F064 تولید شده توسط Silicon Laboratories را در نظر بگیرید.

میکروکنترلر C8051F064

کریستال C8051F064 یک میکروکنترلر 8 بیتی پرسرعت برای پردازش مشترک سیگنال های آنالوگ و دیجیتال با دو ADC تقریبی متوالی 16 بیتی است. ADC های داخلی می توانند در حالت های تک سیم و دیفرانسیل با حداکثر عملکرد تا 1M نمونه در ثانیه کار کنند. روی انجیر 17 مشخصات اصلی ADC میکروکنترلر C8051F064 را نشان می دهد. برای ارزیابی توانایی های پردازش دیجیتال و آنالوگ C8051F064 به تنهایی، می توانید از کیت ارزیابی ارزان قیمت C8051F064EK استفاده کنید (شکل 18). این کیت شامل یک برد ارزیابی مبتنی بر C8051F064، یک کابل USB، اسناد و نرم افزار برای آزمایش ویژگی های دینامیکی و استاتیک آنالوگ یک ADC 16 بیتی یکپارچه با دقت بالا است.

VDD= 3.0 V، AV+ = 3.0 V، AVDD = 3.0 V، VREF = 2.50 V (REFBE=0)، -40 تا +85 درجه، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد

گزینه ها	شرایط	حداقل	معمول	حداکثر	واحدها
مشخصات DC
عمق بیت			16		بیت
غیر خطی بودن انتگرال	تک سیم		0.75 ±	± 2	LSB
غیر خطی بودن انتگرال	تک سیم		0.5±	± 1	LSB
غیر خطی بودن دیفرانسیل	یکنواختی تضمینی		± 0.5		LSB
خطای افزایشی (افست)			0.1		mV
خطای ضربی			0.008		% F.S.
افزایش دما			0.5		ppm/°C
ویژگی های دینامیکی (نرخ نمونه برداری 1 Msps، AVDD، AV+ = 3.3 V)
سیگنال/نویز و اعوجاج			86		دسی بل
			84		دسی بل
			89		دسی بل
			88		دسی بل
اعوجاج هارمونیک عمومی	فین = 10 کیلوهرتز، تک سیم		96		دسی بل
	فین = 100 کیلوهرتز، تک سیم		84		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 10 کیلوهرتز		103		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 100 کیلوهرتز		93		دسی بل
محدوده دینامیکی عاری از هارمونیک	فین = 10 کیلوهرتز، تک سیم		97		دسی بل
	فین = 100 کیلوهرتز، تک سیم		88		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 10 کیلوهرتز		104		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 100 کیلوهرتز		99		دسی بل

فهرست ادبیات

- یک مدار الکترونیکی که دو سیگنال آنالوگ را در ورودی های خود دریافت می کند و بسته به اینکه کدام یک از سیگنال ها بزرگتر است، "0" یا "1" منطقی را خروجی می دهد.

دو ورودی آنالوگ نامگذاری شده اند غیر معکوس(+) و معکوس (-). اگر ولتاژ در ورودی غیر معکوس بیشتر از ورودی معکوس باشد، سیگنال خروجی برابر با منطق "1" است، در غیر این صورت - به منطق "0".
در صورت فعال بودن، مقایسه کننده به شما امکان می دهد مقادیر ولتاژ موجود در ورودی های مربوطه میکروکنترلر را با هم مقایسه کنید.
نتیجه مقایسه یک مقدار بولی است که می تواند در برنامه خوانده شود. بر اساس نتیجه مقایسه، می توان یک وقفه ایجاد کرد و وضعیت تایمر شمار را نیز می توان ثبت کرد.
برای اینکه پین های میکروکنترلر با عملکرد جایگزین مربوطه به عنوان مقایسه کننده آنالوگ استفاده شوند، باید به عنوان ورودی آنالوگ پیکربندی شوند.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

مبدل آنالوگ به دیجیتال(ADC) دستگاهی است که یک سیگنال آنالوگ ورودی را به یک کد گسسته (سیگنال دیجیتال)، اغلب باینری تبدیل می کند. تبدیل معکوس با استفاده از مبدل دیجیتال به آنالوگ(DAC).
هر کمیت فیزیکی به طور مداوم در حال تغییر یا معادل آن می تواند به عنوان یک سیگنال آنالوگ عمل کند. اغلب، یک سیگنال ولتاژ معادل به عنوان سیگنال ورودی برای به دست آوردن اطلاعات دیجیتال در مورد دما، جریان، رطوبت و غیره استفاده می شود.
بیشتر مبدل های آنالوگ به دیجیتال خطی هستند، به این معنی که محدوده مقادیر ورودی که به یک مقدار دیجیتال خروجی نگاشت شده است به صورت خطی با آن مقدار خروجی مرتبط است. اساس ساخت ADC یک مقایسه کننده آنالوگ است.
وضوح ADC حداقل تغییر در مقدار یک سیگنال آنالوگ است که می تواند توسط یک ADC معین تبدیل شود. معمولا بر حسب ولت اندازه گیری می شود.

عمق بیت ADC تعداد مقادیر گسسته ای را که مبدل می تواند در خروجی تولید کند مشخص می کند. در بیت اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، ADC قادر به خروجی 2 8 =256 مقادیر گسسته (0..255)، دارای ظرفیت 8 بیت است.
برابر است با اختلاف بین ولتاژهای مربوط به حداکثر و حداقل کد خروجی تقسیم بر تعداد مقادیر گسسته خروجی.

جایی که ن- عمق بیت ADC.
در این حالت می توان ولتاژ ورودی مبدل را با دانستن مقدار دیجیتال بدست آمده از تبدیل آنالوگ به دیجیتال تخمین زد. ارزش

در عمل، وضوح یک ADC توسط نسبت سیگنال به نویز سیگنال ورودی محدود می شود. با شدت نویز بالا در ورودی ADC، تشخیص سطوح مجاور سیگنال ورودی غیرممکن می شود، یعنی وضوح تصویر بدتر می شود. در این مورد، وضوح واقعی قابل دستیابی توضیح داده شده است عمق بیت موثر(تعداد موثر بیت - ENOB)، که کمتر از عمق بیت واقعی ADC است. هنگام تبدیل یک سیگنال با نویز زیاد، بیت های پایین کد خروجی عملاً بی فایده هستند، زیرا حاوی نویز هستند.

نمونه گیری سیگنالتبدیل اندازه گیری یک سیگنال پیوسته نامیده می شود x(t)به دنباله مقادیر لحظه ای این سیگنال X(k i T)مربوط به مقاطع خاصی از زمان است k i T (تیمرحله نمونه برداری است).

گسسته سازی سیگنال در زمان را می توان با یک مرحله ثابت انجام داد تی= گام ثابت یا متغیر تی= var.

فرکانس نمونه برداری- فرکانسی که با آن تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال انجام می شود.
زمان تبدیلزمان از شروع تبدیل تا ظاهر شدن کد مربوطه در خروجی ADC است.
ولتاژ مرجعولتاژ مربوط به حداکثر کد خروجی است.

از آنجایی که ADC های واقعی نمی توانند تبدیل A/D را به صورت آنی انجام دهند، مقدار ورودی آنالوگ باید حداقل از ابتدا تا انتهای فرآیند تبدیل ثابت نگه داشته شود (این بازه زمانی نامیده می شود. زمان تبدیل). این مشکل را می توان با استفاده از یک مدار خاص در ورودی ADC حل کرد - دستگاه های نگهدارنده نمونه(UVH). SHA معمولاً ولتاژ ورودی را در یک خازن ذخیره می کند که از طریق یک سوئیچ آنالوگ به ورودی متصل می شود: هنگامی که سوئیچ بسته می شود، از سیگنال ورودی نمونه برداری می شود (خازن به ولتاژ ورودی شارژ می شود) و هنگامی که سوئیچ باز می شود. ، ذخیره می شود. به عنوان یک قاعده، ماژول های ADC حاوی یک SHA داخلی هستند.

این مقاله دستگاه و اصول عملکرد مبدل های آنالوگ به دیجیتال در انواع مختلف و همچنین ویژگی های اصلی آنها را شرح می دهد که توسط سازندگان در اسناد نشان داده شده است.

در شکل 1. قابلیت های معماری های اصلی ADC بسته به وضوح و نرخ نمونه گیری نشان داده شده است.

برنج. 1. انواع ADC - وضوح بسته به نرخ نمونه برداری

ADC های موازی

اکثر اسیلوسکوپ‌های پرسرعت و برخی ابزارهای فرکانس بالا به دلیل سرعت تبدیل بالایشان از ADCهای موازی استفاده می‌کنند که می‌تواند به 5 GS/s برای دستگاه‌های استاندارد و 20 GS/s برای طرح‌های اصلی برسد. ADC های موازی معمولا تا 8 بیت رزولوشن دارند، اما نسخه های 10 بیتی نیز در دسترس هستند.

برنج. 2. تبدیل موازی ADC

برنج. 2 یک بلوک دیاگرام ساده شده از یک ADC موازی 3 بیتی را نشان می دهد (برای مبدل هایی با وضوح بالاتر، اصل کار یکسان است). از آرایه ای از مقایسه کننده ها استفاده می کند که هر کدام ولتاژ ورودی را با یک ولتاژ مرجع جداگانه مقایسه می کند. چنین ولتاژ مرجع برای هر مقایسه کننده بر روی تقسیم کننده مقاومتی دقیق داخلی تشکیل می شود. ارجاعات ولتاژ از نصف کمترین رقم قابل توجه (LSB) شروع می شود و با هر مقایسه کننده متوالی با افزایش V REF /2 3 افزایش می یابد. در نتیجه، یک ADC 3 بیتی به 2 3 -1 یا هفت مقایسه کننده نیاز دارد. و به عنوان مثال، برای یک ADC موازی 8 بیتی، 255 (یا (2 8 -1)) مقایسه کننده مورد نیاز است.

با افزایش ولتاژ ورودی، مقایسه‌کننده‌ها به‌طور متوالی خروجی‌های خود را به‌جای منطق صفر روی منطق یک تنظیم می‌کنند و با مقایسه‌کننده‌ای شروع می‌کنند که مسئول کمترین بیت است. می توانید مبدل را به عنوان یک دماسنج جیوه ای تصور کنید: با افزایش دما، ستون جیوه افزایش می یابد. روی انجیر 2، ولتاژ ورودی بین V3 و V4 قرار می گیرد، بنابراین 4 مقایسه کننده پایین خروجی "1" و سه مقایسه کننده بالا "0" را تولید می کنند. رمزگشا (2 3 -1) - کلمه دیجیتال بیت را از خروجی مقایسه کننده ها به یک کد باینری 3 بیتی تبدیل می کند.

ADC های موازی دستگاه های نسبتاً سریعی هستند، اما دارای معایبی هستند. به دلیل نیاز به استفاده از تعداد زیادی مقایسه کننده، ADC های موازی انرژی قابل توجهی مصرف می کنند و برای برنامه های کاربردی با باتری کاربردی نیستند.

زمانی که رزولوشن 12، 14 یا 16 بیت مورد نیاز است و به سرعت تبدیل بالا نیاز نیست و قیمت پایین و مصرف توان کم عوامل تعیین کننده هستند، معمولاً از ADC های تقریبی متوالی استفاده می شود. این نوع ADC بیشتر در انواع سیستم های ابزار دقیق و جمع آوری داده ها استفاده می شود. در حال حاضر، ADC های تقریبی متوالی امکان اندازه گیری ولتاژ را با دقت تا 16 بیت با نرخ نمونه برداری از 100K (1x10 3) تا 1M (1x106) نمونه در ثانیه می دهند.

برنج. شکل 3 یک بلوک دیاگرام ساده شده از یک ADC تقریبی متوالی را نشان می دهد. این نوع ADC بر اساس یک ثبت تقریب متوالی خاص است. در ابتدای چرخه تبدیل، تمام خروجی های این ثبات به جز بیت اول (بالاترین) روی منطق 0 تنظیم می شوند. این یک سیگنال در خروجی مبدل داخلی دیجیتال به آنالوگ (DAC) تولید می کند که مقدار آن برابر با نصف محدوده ورودی ADC است. و خروجی مقایسه کننده به حالتی تغییر می کند که تفاوت بین سیگنال در خروجی DAC و ولتاژ ورودی اندازه گیری شده را تعیین می کند.

برنج. 3. SAR ADC

به عنوان مثال، برای یک ADC SAR 8 بیتی (شکل 4)، خروجی های ثبت بر روی "10000000" تنظیم می شوند. اگر ولتاژ ورودی کمتر از نیمی از محدوده ورودی ADC باشد، خروجی مقایسه کننده منطقی 0 خواهد بود. این به رجیستر تقریب متوالی دستور می دهد تا خروجی های خود را به حالت "01000000" تغییر دهد که ولتاژ خروجی را از DAC به DAC تغییر می دهد. مقایسه کننده بر این اساس اگر خروجی مقایسه کننده همچنان روی "0" باقی بماند، خروجی های رجیستر به حالت "00100000" تغییر خواهند کرد. اما در این چرخه تبدیل، ولتاژ خروجی DAC کمتر از ولتاژ ورودی است (شکل 4) و مقایسه کننده به حالت منطقی 1 تغییر می کند. این به ثبت تقریب متوالی دستور می دهد تا یک "1" را در بیت دوم ذخیره کند. و یک "1" را به بیت سوم اعمال کنید. سپس الگوریتم عملیات توصیف شده دوباره تا آخرین رقم تکرار می شود. بنابراین، یک ADC تقریبی متوالی به یک ساعت تبدیل داخلی در هر بیت یا N ساعت برای تبدیل N-bit نیاز دارد.

برنج. 4. تبدیل تقریب های متوالی به ADC

با این حال، عملیات تقریب متوالی ADC دارای یک ویژگی خاص مرتبط با گذرا در DAC داخلی است. از نظر تئوری، ولتاژ در خروجی DAC برای هر یک از N چرخه تبدیل داخلی باید در همان بازه زمانی تنظیم شود. اما در واقع این فاصله در اولین میله ها بسیار بیشتر از میله های آخر است. بنابراین، زمان تبدیل یک ADC تقریبی متوالی 16 بیتی بیش از دو برابر زمان تبدیل یک ADC تقریبی متوالی 8 بیتی است.

اغلب اندازه‌گیری‌ها اغلب به یک ADC با سرعت تبدیلی که یک ADC تقریبی متوالی ارائه می‌کند نیاز ندارند، اما وضوح بالایی لازم است. ADC های سیگما دلتا می توانند تا 24 بیت رزولوشن ارائه دهند، اما از نظر سرعت تبدیل پایین تر هستند. بنابراین، در یک سیگما-دلتا ADC در 16 بیت، می توانید نرخ نمونه برداری تا 100K نمونه در ثانیه را دریافت کنید و در 24 بیت این فرکانس بسته به دستگاه به 1K نمونه در ثانیه یا کمتر کاهش می یابد.

به طور معمول، ADC های سیگما-دلتا در انواع سیستم های جمع آوری داده ها و در تجهیزات اندازه گیری (اندازه گیری فشار، دما، وزن و غیره) زمانی که به نرخ نمونه برداری بالا نیاز نیست و وضوح بیش از 16 بیت مورد نیاز است، استفاده می شود.

درک اصل عملکرد سیگما-دلتا ADC دشوارتر است. این معماری متعلق به کلاس یکپارچه سازی ADC ها است. اما ویژگی اصلی سیگما-دلتا ADC این است که فرکانس نمونه برداری، که در آن سطح ولتاژ سیگنال اندازه گیری شده در واقع آنالیز می شود، به طور قابل توجهی از نرخ نمونه برداری در خروجی ADC (فرکانس نمونه برداری) فراتر می رود. این نرخ نمونه برداری را نرخ نمونه گیری مجدد می نامند. به عنوان مثال، یک سیگما-دلتا ADC با نرخ تبدیل 100K نمونه در ثانیه، که از نرخ نمونه برداری مجدد 128 برابر سریعتر استفاده می کند، سیگنال آنالوگ ورودی را با نرخ 12.8 M نمونه در ثانیه نمونه برداری می کند.

بلوک دیاگرام ADC سیگما-دلتا مرتبه اول در شکل نشان داده شده است. 5. یک سیگنال آنالوگ به یکپارچه کننده اعمال می شود که خروجی های آن به یک مقایسه کننده متصل است، که به نوبه خود به یک DAC 1 بیتی در یک حلقه بازخورد متصل می شود. از طریق یک سری از تکرارهای متوالی، یکپارچه ساز، مقایسه کننده، DAC و جمع کننده جریانی از بیت های سریال تولید می کنند که حاوی اطلاعاتی در مورد مقدار ولتاژ ورودی است.

برنج. 5. Sigma-Delta ADC

سپس توالی دیجیتالی به دست آمده به یک فیلتر پایین گذر وارد می شود تا اجزای بالاتر از فرکانس کوتلنیکوف (نصف نرخ نمونه ADC) را سرکوب کند. پس از حذف مولفه های فرکانس بالا، گره بعدی - decimator - داده ها را نازک می کند. در ADC مورد نظر ما، decimator 1 بیت از هر 128 دریافتی را در دنباله دیجیتال خروجی باقی می گذارد.

از آنجایی که فیلتر پایین گذر دیجیتال داخلی در ADC sigma-delta بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند تبدیل است، زمان ته نشینی فیلتر پایین گذر عاملی است که باید در هنگام پرش سیگنال ورودی در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، هنگام تعویض مالتی پلکسر ورودی یا هنگام تعویض حد اندازه گیری دستگاه، باید منتظر بمانید تا چندین نمونه ADC بگذرد و تنها پس از آن داده های خروجی صحیح را بخوانید.

مزیت اضافی و بسیار مهم سیگما دلتا ADC این است که تمام واحدهای داخلی آن را می توان به صورت یکپارچه بر روی سطح یک تراشه سیلیکونی ساخت. این به طور قابل توجهی هزینه دستگاه های پایانی را کاهش می دهد و پایداری ویژگی های ADC را افزایش می دهد.

یکپارچه سازی ADC ها

و آخرین نوع ADC که در اینجا مورد بحث قرار خواهد گرفت، ADC فشاری است. در مولتی مترهای دیجیتال، به عنوان یک قاعده، از چنین ADCهایی استفاده می شود، زیرا. این ابزارها به ترکیبی از وضوح بالا و سرکوب صدای بالا نیاز دارند. ایده تبدیل در چنین ADC یکپارچه ای بسیار کمتر از یک ADC سیگما دلتا پیچیده است.

شکل 6 نحوه عملکرد یک ADC فشاری را نشان می دهد. سیگنال ورودی خازن را برای مدت زمان ثابتی شارژ می کند که معمولاً یک سیکل فرکانس شبکه (50 یا 60 هرتز) یا مضربی از آن است. هنگام ادغام سیگنال ورودی در یک دوره زمانی از این مدت، نویز فرکانس بالا سرکوب می شود. در عین حال، تأثیر ناپایداری ولتاژ منبع تغذیه اصلی بر روی دقت تبدیل حذف می شود. این به این دلیل است که اگر انتگرال سیگنال سینوسی در یک بازه زمانی انجام شود که مضربی از دوره تغییر سینوسی است، مقدار انتگرال سیگنال سینوسی صفر است.

برنج. 6. یکپارچه سازی ADC. رنگ سبز تداخل برق را نشان می دهد (1 دوره)

در پایان زمان شارژ، ADC خازن را با یک نرخ ثابت تخلیه می کند، در حالی که یک شمارنده داخلی تعداد پالس های ساعت را در طول تخلیه خازن می شمارد. بنابراین زمان تخلیه طولانی‌تر مربوط به قرائت کنتور بزرگتر و ولتاژ اندازه‌گیری شده بزرگتر است (شکل 6).

مشخصات ADC

متداول‌ترین پارامترهایی که اشتباه گرفته می‌شوند وضوح و دقت هستند، اگرچه این دو ویژگی یک ADC واقعی بسیار ضعیف با هم مرتبط هستند. وضوح با دقت یکسان نیست، یک ADC 12 بیتی ممکن است دقت کمتری نسبت به یک ADC 8 بیتی داشته باشد. برای یک ADC، وضوح معیاری است از اینکه محدوده ورودی سیگنال آنالوگ اندازه‌گیری شده به چند بخش تقسیم می‌شود (به عنوان مثال، برای یک ADC 8 بیتی، این 28 = 256 قطعه است). دقت انحراف کل نتیجه تبدیل را از مقدار ایده آل آن برای یک ولتاژ ورودی مشخص مشخص می کند. یعنی وضوح قابلیت های بالقوه ADC را مشخص می کند و مجموعه پارامترهای دقت امکان چنین قابلیت بالقوه ای را تعیین می کند.

خطای استاتیک

پاسخ انتقال ایده آل ADC

مشخصه انتقال یک ADC تابعی از وابستگی کد در خروجی ADC به ولتاژ ورودی آن است. چنین نموداری یک تابع خطی تکه تکه از 2N "گام" است، که در آن N عمق بیت ADC است. هر بخش افقی این تابع با یکی از مقادیر کد خروجی ADC مطابقت دارد (شکل 7 را ببینید). اگر ابتدای این بخش های افقی را با خطوط (در مرزهای انتقال از یک مقدار کد به مقدار دیگر) وصل کنیم، مشخصه انتقال ایده آل یک خط مستقیم خواهد بود که از مبدا می گذرد.

برنج. 7. مشخصه انتقال ایده آل ADC 3 بیتی

برنج. 7 مشخصه انتقال ایده آل را برای یک ADC 3 بیتی با نقاط شکست در مرزهای انتقال کد نشان می دهد. زمانی که سیگنال ورودی بین 0 و 1/8 مقیاس کامل (حداکثر مقدار کد این ADC) باشد، کد خروجی کوچکترین مقدار (000b) را می گیرد. همچنین توجه داشته باشید که ADC به مقدار کد مقیاس کامل (111b) در 7/8 مقیاس کامل می رسد، نه در مقیاس کامل. که انتقال به حداکثر مقدار در خروجی در ولتاژ مقیاس کامل اتفاق نمی‌افتد، بلکه در مقداری کمتر از کمترین رقم مهم (LSB) از ولتاژ مقیاس کامل ورودی رخ می‌دهد. مشخصه انتقال را می توان با آفست -1/2 LSB پیاده سازی کرد. این با جابجایی مشخصه انتقال به چپ به دست می آید، که خطای کوانتیزاسیون را از -1...0 LSB به -1/2...+1/2 LSB تغییر می دهد.

برنج. 8. انتقال مشخصه یک ADC 3 بیتی با -1/2LSB

با توجه به گسترش تکنولوژیکی پارامترها در ساخت مدارهای مجتمع، ADCهای واقعی یک مشخصه انتقال ایده آل ندارند. انحراف از مشخصه انتقال ایده آل، خطای استاتیکی ADC را تعیین می کند و در مستندات فنی آورده شده است.

مشخصه انتقال ایده آل ADC از مبدا عبور می کند و اولین انتقال کد زمانی رخ می دهد که به مقدار 1 LSB برسد. همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، خطای افزایشی (خطای افست) را می توان به عنوان جابجایی کل مشخصه انتقال به چپ یا راست نسبت به محور ولتاژ ورودی تعریف کرد. بنابراین، یک افست 1/2 LSB عمداً در تعریف خطای ADC افزودنی گنجانده شده است.

برنج. 9. خطای افزایشی (خطای افست)

خطای ضربی

خطای ضربی (خطای مقیاس کامل) تفاوت بین ویژگی‌های انتقال ایده‌آل و واقعی در نقطه حداکثر مقدار خروجی تحت شرایط خطای افزایشی صفر (بدون افست) است. این خود را به عنوان تغییر در شیب تابع انتقال نشان می دهد که در شکل 1 نشان داده شده است. 10.

برنج. 10. خطای ضربی (خطا در مقیاس کامل)

برای مشخصه انتقال ADC ایده آل، عرض هر "گام" باید یکسان باشد. تفاوت در طول بخش های افقی این تابع خطی تکه تکه از 2N "گام" یک غیر خطی دیفرانسیل (DNL) است.

مقدار کم اهمیت ترین بیت ADC Vref/2N است که در آن Vref ولتاژ مرجع و N وضوح ADC است. اختلاف ولتاژ بین هر انتقال کد باید برابر با مقدار LSB باشد. انحراف این تفاوت از LSB به عنوان غیر خطی بودن دیفرانسیل تعریف می شود. در شکل، این به صورت شکاف های نابرابر بین "مراحل" کد، یا به صورت "تار" مرزهای انتقال در مشخصه انتقال ADC نشان داده شده است.

برنج. 11. غیر خطی بودن دیفرانسیل (DNL)

غیر خطی بودن انتگرال

غیرخطی انتگرال (INL) خطایی است که ناشی از انحراف تابع خطی مشخصه انتقال ADC از یک خط مستقیم است، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 12. به طور معمول، یک تابع انتقال با یک غیر خطی انتگرال با یک خط مستقیم با استفاده از روش حداقل مربعات تقریب می شود. اغلب خط مستقیم مناسب به سادگی کوچکترین و بزرگترین مقادیر را به هم متصل می کند. غیر خطی بودن انتگرال با مقایسه ولتاژهایی که در آن انتقال کد رخ می دهد تعیین می شود. برای یک ADC ایده آل، این انتقال ها در ولتاژهای ورودی که دقیقا مضرب LSB هستند، رخ می دهد. و برای یک مبدل واقعی، چنین شرطی می تواند با خطا برآورده شود. تفاوت بین سطوح ولتاژ "ایده آل" که در آن انتقال کد رخ می دهد و مقادیر واقعی آنها در واحدهای LSB بیان می شود و غیرخطی انتگرال نامیده می شود.

برنج. 12. غیرخطی انتگرال (INL)

خطای کوانتیزاسیون

یکی از مهم ترین مولفه های خطا در اندازه گیری های ADC، خطای کوانتیزاسیون، نتیجه خود فرآیند تبدیل است. خطای کوانتیزاسیون خطای ناشی از مقدار مرحله کوانتیزه شدن است و به این صورت تعریف می شود؟ مقدار حداقل رقم قابل توجه (LSB). نمی توان آن را در تبدیل های آنالوگ به دیجیتال مستثنی کرد، زیرا بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند تبدیل است، با وضوح ADC تعیین می شود و از ADC به ADC با وضوح برابر تغییر نمی کند.

ویژگی های دینامیکی

روی انجیر شکل 13 نمونه ای از طیف فرکانس سیگنال اندازه گیری شده را نشان می دهد. هارمونیک صفر با فرکانس اصلی سیگنال ورودی مطابقت دارد. همه چیز دیگر نویز است که شامل اعوجاج هارمونیک، نویز حرارتی، نویز 1/f و نویز کوانتیزاسیون می شود. برخی از اجزای نویز توسط خود ADC تولید می شوند، برخی ممکن است از مدارهای خارجی به ADC وارد شوند. به عنوان مثال، اعوجاج هارمونیک می تواند در سیگنال اندازه گیری شده وجود داشته باشد و به طور همزمان توسط ADC در طول فرآیند تبدیل ایجاد شود.

برنج. 13. نتیجه اجرای FFT روی داده های خروجی ADC

نسبت سیگنال به نویز

نسبت سیگنال به نویز (SNR) نسبت مقدار rms سیگنال ورودی به مقدار rms نویز (به استثنای اعوجاج هارمونیک) است که در دسی بل بیان می شود:

SNR(dB) = 20 log [Vsignal(rms)/Vnoise(rms)]

این مقدار به شما امکان می دهد نسبت نویز سیگنال اندازه گیری شده را نسبت به سیگنال مفید تعیین کنید.

برنج. 14. SNR - نسبت سیگنال به نویز

برنج. 15. FFT منعکس کننده اعوجاج هارمونیک است

نویز اندازه گیری شده در محاسبه SNR شامل اعوجاج هارمونیک نمی شود، اما نویز کوانتیزاسیون را شامل می شود. برای یک ADC با وضوح مشخص، نویز کوانتیزاسیون است که قابلیت‌های مبدل را به نسبت سیگنال به نویز از لحاظ نظری بهتر محدود می‌کند، که به صورت زیر تعریف می‌شود:

SNR(db) = 6.02 N + 1.76،

که در آن N وضوح ADC است.

طیف نویز کوانتیزاسیون ADC در معماری های استاندارد دارای توزیع فرکانس یکنواخت است. بنابراین نمی توان با افزایش زمان تبدیل و سپس میانگین گیری نتایج، میزان این نویز را کاهش داد. نویز کوانتیزاسیون را فقط می توان با اندازه گیری با ADC بزرگتر کاهش داد.

یکی از ویژگی های سیگما-دلتا ADC این است که طیف نویز کوانتیزاسیون آن به طور نابرابر در فرکانس توزیع شده است - به سمت فرکانس های بالا منتقل می شود. بنابراین با افزایش زمان اندازه‌گیری (و بر این اساس تعداد نمونه‌های سیگنال اندازه‌گیری شده)، جمع‌آوری و سپس میانگین‌گیری نمونه به‌دست‌آمده (فیلتر پایین‌گذر)، می‌توان نتیجه اندازه‌گیری را با دقت بالاتری به دست آورد. طبیعتا در این حالت کل زمان تبدیل افزایش خواهد یافت.

سایر منابع نویز ADC عبارتند از: نویز حرارتی، نویز 1/f و لرزش مرجع.

اعوجاج هارمونیک عمومی

غیر خطی بودن در نتایج تبدیل داده ها منجر به بروز اعوجاج هارمونیک می شود. چنین اعوجاج هایی به عنوان "انتشار" در طیف فرکانس در هارمونیک های زوج و فرد سیگنال اندازه گیری شده مشاهده می شوند (شکل 15).

این اعوجاج به عنوان اعوجاج هارمونیک کل (THD) تعریف می شود. آنها به این صورت تعریف می شوند:

نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج

برنج. 16. محدوده دینامیکی عاری از هارمونیک

میکروکنترلر C8051F064

کریستال C8051F064 یک میکروکنترلر 8 بیتی پرسرعت برای پردازش مشترک سیگنال های آنالوگ و دیجیتال با دو ADC تقریبی متوالی 16 بیتی است. ADC های داخلی می توانند در حالت های تک سیم و دیفرانسیل با حداکثر عملکرد تا 1M نمونه در ثانیه کار کنند. جدول مشخصات اصلی ADC میکروکنترلر C8051F064 را نشان می دهد. برای ارزیابی توانایی های پردازش دیجیتال و آنالوگ C8051F064 به تنهایی، می توانید از کیت ارزیابی ارزان قیمت C8051F064EK استفاده کنید (شکل 17). این کیت شامل یک برد ارزیابی مبتنی بر C8051F064، یک کابل USB، اسناد و نرم افزار برای آزمایش ویژگی های دینامیکی و استاتیک آنالوگ یک ADC 16 بیتی یکپارچه با دقت بالا است.

جدول. V DD = 3.0 V، AV+ = 3.0 V، AVDD = 3.0 V، V REF = 2.50 V (REFBE=0)، -40 تا +85 درجه، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد

گزینه ها	شرایط	معمول	حداکثر	واحدها
مشخصات DC
عمق بیت		16		بیت
غیر خطی بودن انتگرال	تک سیم	0.75 ±	± 2	LSB
غیر خطی بودن انتگرال	تک سیم	0.5±	± 1	LSB
یکنواختی تضمینی	± 0.5		LSB
خطای افزایشی (افست)		0,1		mV
خطای ضربی		0,008		% F.S.
افزایش دما		0,5		ppm/°C
ویژگی های دینامیکی (نرخ نمونه برداری 1 Msps، AVDD، AV+ = 3.3 V)
سیگنال/نویز و اعوجاج	فین = 10 کیلوهرتز، تک سیم	86		دسی بل
	فین = 100 کیلوهرتز، تک سیم	84		دسی بل
		89		دسی بل
		88		دسی بل
اعوجاج هارمونیک عمومی	فین = 10 کیلوهرتز، تک سیم	96		دسی بل
	فین = 100 کیلوهرتز، تک سیم	84		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 10 کیلوهرتز	103		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 100 کیلوهرتز	93		دسی بل
	فین = 10 کیلوهرتز، تک سیم	97		دسی بل
	فین = 100 کیلوهرتز، تک سیم	88		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 10 کیلوهرتز	104		دسی بل
	فین = دیفرانسیل 100 کیلوهرتز	99		دسی بل

برنج. 17. کیت ارزیابی C8051F064EK

ادبیات

http://www.wbc-europe.com/en/services/pim_application_guide.html
www.silabs.com

ولفگانگ ریس (WBC GmbH)

هنگام استفاده از رایانه برای پردازش اطلاعات از دستگاه های مختلف (اشیاء، فرآیندها)، که در آن اطلاعات با سیگنال های پیوسته (آنالوگ) نشان داده می شود، لازم است سیگنال آنالوگ را به دیجیتال تبدیل کنید - به عددی متناسب با دامنه این. سیگنال و بالعکس به طور کلی، فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال شامل سه مرحله است.