Glavne karakteristike ADC. Pretvaranje analogne informacije u digitalni oblik

Analogno-digitalni pretvarač (ADC) jedan je od najvažnijih elektroničke komponente u mjernoj i ispitnoj opremi. ADC pretvara napon ( analogni signal) u kod nad kojim mikroprocesor i softver izvode određene akcije. Čak i ako radite samo s digitalnim signalima, najvjerojatnije koristite ADC kao dio osciloskopa kako biste saznali njihove analogne karakteristike.

Postoji nekoliko osnovnih vrsta ADC arhitekture, iako postoje i mnoge varijacije unutar svake vrste. Različite vrste mjerne opreme koriste različite vrste ADC-ova. Na primjer, digitalni osciloskop koristi visoku stopu uzorkovanja, ali ne zahtijeva visoku rezoluciju. U digitalni multimetri Potrebna vam je veća razlučivost, ali možete žrtvovati brzinu mjerenja. Sustavi za prikupljanje podataka opće namjene

Što se tiče brzine uzorkovanja i razlučivosti, oni obično zauzimaju mjesto između osciloskopa i digitalnih multimetara. Ova vrsta opreme koristi ADC s uzastopnom aproksimacijom ili sigma-delta ADC. Postoje i paralelni ADC-ovi za aplikacije koje zahtijevaju brzu analognu obradu signala i integrirane ADC-ove s visokom rezolucijom i smanjenjem šuma. Push-pull integracijski ADC-ovi imaju visoku točnost i visoku rezoluciju, a također imaju relativno jednostavnu strukturu. To omogućuje njihovu implementaciju u obliku integriranih sklopova. Glavni nedostatak ovakvih ADC je veliko vrijeme

transformacija zbog vezanja razdoblja integracije na trajanje razdoblja opskrbne mreže. Na primjer, za opremu od 50 Hz, frekvencija uzorkovanja push-pull integracijskog ADC-a ne prelazi 25 uzoraka/s. Naravno, takvi ADC mogu raditi s višom frekvencijom uzorkovanja, ali kako se potonja povećava, otpornost na buku se smanjuje.

Specifikacija ADC-a Postoje opće definicije koje se obično koriste u odnosu na analogno-digitalne pretvarače. Međutim, karakteristike navedene u tehnička dokumentacija

Parametri koji se najčešće miješaju su razlučivost i točnost, iako su te dvije karakteristike pravog ADC-a vrlo labavo povezane jedna s drugom. Razlučivost nije isto što i točnost; 12-bitni ADC može imati manju preciznost od 8-bitnog ADC-a. Za ADC, razlučivost je mjera na koliko se segmenata može podijeliti ulazni raspon analognog signala koji se mjeri (na primjer, za 8-bitni ADC to je 2 8 = 256 segmenata). Točnost karakterizira ukupno odstupanje rezultata pretvorbe od njegove idealne vrijednosti za dati ulazni napon. To jest, rezolucija karakterizira potencijalne mogućnosti ADC-a, a skup parametara točnosti određuje izvedivost takvih potencijalnih mogućnosti.

ADC pretvara ulazni analogni signal u izlazni digitalni kod. Za prave pretvarače proizvedene u obliku integrirani krugovi, proces pretvorbe nije idealan: na njega utječu i tehnološke varijacije parametara tijekom proizvodnje i razne vanjske smetnje. Stoga se digitalni kod na izlazu ADC-a određuje s pogreškom. Specifikacija za ADC ukazuje na pogreške koje daje sam pretvarač. Obično se dijele na statičke i dinamičke. U ovom slučaju, konačna primjena određuje koje će se karakteristike ADC-a smatrati odlučujućim, najvažnijim u svakom konkretnom slučaju.

Statička greška

U većini primjena, ADC se koristi za mjerenje sporo promjenjivog, niskofrekventnog signala (na primjer, od senzora temperature, senzora tlaka, mjerača naprezanja, itd.) gdje je ulazni napon proporcionalan relativno konstantnoj fizičkoj veličini. Ovdje glavnu ulogu igra statička greška mjerenja. U specifikaciji ADC-a ova vrsta pogreške definirana je kao aditivna pogreška (Offset), multiplikativna pogreška (Full-Scale), diferencijalna nelinearnost (DNL), integralna nelinearnost (INL) i pogreška kvantizacije. Ovih pet karakteristika u potpunosti opisuju statičku pogrešku ADC-a.

Idealna prijenosna karakteristika ADC-a

Prijenosna karakteristika ADC-a je funkcija ovisnosti koda na izlazu ADC-a o naponu na njegovom ulazu. Takav graf je linearna funkcija od 2 N "koraka", gdje je N kapacitet ADC-a. Svaki vodoravni segment ove funkcije odgovara jednoj od vrijednosti izlaznog koda ADC-a (vidi sliku 7). Ako početke tih horizontalnih segmenata povežemo linijama (na granicama prijelaza s jedne vrijednosti koda na drugu), tada će idealna prijenosna karakteristika biti ravna linija koja prolazi kroz ishodište.

Diferencijalna nelinearnost

Na idealu prijenosna karakteristika ADC širina svakog "koraka" mora biti ista. Razlika u duljini vodoravnih segmenata ovoga po komadu linearna funkcija od 2 N "stupnjeva" predstavlja diferencijalnu nelinearnost (DNL).

Vrijednost najmanje značajne znamenke ADC-a je V ref /2 N, gdje je V ref referentni napon, N je rezolucija ADC-a.

Razlika napona između svakog prijelaza koda mora biti jednaka LSB vrijednosti. Odstupanje ove razlike od LSB definira se kao diferencijalna nelinearnost. Na slici je to prikazano kao nejednaki intervali između "koraka" koda ili kao "zamagljivanje" prijelaznih granica na ADC prijenosnoj karakteristici.

Integralna nelinearnost

Integralna nelinearnost (INL) je pogreška koja je uzrokovana odstupanjem linearne funkcije ADC prijenosne karakteristike od ravne linije, kao što je prikazano na slici. 12. Obično se prijenosna funkcija s integralnom nelinearnošću aproksimira ravnom linijom pomoću metode najmanjih kvadrata. Često se linija aproksimacije jednostavno povezuje između najmanje i najveće vrijednosti. Integralna nelinearnost utvrđuje se usporedbom napona na kojima se događaju prijelazi koda. Za idealan ADC, ti će se prijelazi dogoditi pri vrijednostima ulaznog napona koje su točno višekratnici LSB-a. Ali za pravi pretvarač, takav se uvjet može ispuniti s greškom. Razlika između "idealnih" naponskih razina na kojima dolazi do prijelaza koda i njihovih stvarnih vrijednosti izražava se u LSB jedinicama i naziva se integralna nelinearnost.

Jedna od najznačajnijih komponenti pogreške u ADC mjerenjima, pogreška kvantizacije, rezultat je samog procesa pretvorbe. Pogreška kvantizacije je pogreška uzrokovana vrijednošću koraka kvantizacije i definirana je kao ½ vrijednosti najmanje značajne znamenke (LSB). Ne može se isključiti u analogno-digitalnim pretvorbama, budući da je sastavni dio procesa pretvorbe, određen je razlučivošću ADC-a i ne mijenja se iz ADC-a u ADC s jednakom razlučivošću.

Dinamičke karakteristike

Dinamičke karakteristike ADC-a obično se određuju pomoću spektralna analiza, na temelju rezultata izvođenja brze Fourierove transformacije (FFT) na nizu ADC izlaznih vrijednosti koje odgovaraju nekom ispitnom ulaznom signalu.

Ovo izobličenje se definira kao ukupno harmonično izobličenje (THD). Oni su definirani kao:

Količina harmonijskog izobličenja smanjuje se na visokim frekvencijama do točke u kojoj amplituda harmonika postaje manja od razine šuma. Stoga, ako analiziramo doprinos harmonijskog izobličenja rezultatima pretvorbe, to se može učiniti ili preko cijelog frekvencijskog spektra, uz ograničavanje amplitude harmonika na razinu šuma, ili ograničavanjem frekvencijskog pojasa za analizu. Na primjer, ako naš sustav ima niskopropusni filter, tada nas jednostavno ne zanimaju visoke frekvencije i visokofrekventni harmonici se ne mogu uzeti u obzir.

Omjer signal/šum i izobličenje

Signal-šum i izobličenje (SiNAD) potpunije opisuje karakteristike šuma ADC-a. SiNAD uzima u obzir veličinu i šuma i harmonijskog izobličenja u odnosu na željeni signal.

SiNAD se izračunava pomoću sljedeće formule:

Dinamički raspon bez harmonika

Specifikacija ADC-a, navedena u tehničkoj dokumentaciji za mikrosklopove, pomaže u razumnom odabiru pretvarača za određenu primjenu. Kao primjer, razmotrite specifikaciju ADC-a integriranog u novi mikrokontroler C8051F064 koji proizvodi Silicon Laboratories.

Čip C8051F064 je brzi 8-bitni mikrokontroler za kombiniranu analognu i digitalnu obradu signala s dva integrirana 16-bitna SAR ADC-a. Ugrađeni ADC mogu raditi u jednožilnom i diferencijalnom načinu rada s maksimalnom propusnošću do 1M uzoraka/s. Na sl. 17 prikazuje glavne karakteristike ADC mikrokontrolera C8051F064. Za neovisnu procjenu mogućnosti digitalne i analogne obrade C8051F064, možete koristiti jeftini komplet za procjenu C8051F064EK (Slika 18). Komplet sadrži evaluacijsku ploču temeljenu na C8051F064, USB kabel, dokumentaciju i softver za testiranje analognih dinamičkih i statičkih karakteristika integriranog 16-bitnog ADC-a visoke preciznosti.

Reference.

– elektronički sklop, koji prima dva analogna signala na svoje ulaze i proizvodi logičku "0" ili "1", ovisno o tome koji je od signala veći.

Pozivaju se dva ulaza za dovod analognih signala neinvertirajući(+) i invertiranje (-). Ako je napon na neinvertirajućem ulazu veći od napona na invertirajućem ulazu, izlazni signal je jednak logičkoj "1", inače - logičkoj "0".
Kada je uključen, komparator vam omogućuje usporedbu vrijednosti napona prisutnih na odgovarajućim ulazima mikrokontrolera.
Rezultat usporedbe je Booleova vrijednost koju program može interno pročitati. Na temelju rezultata usporedbe može se generirati prekid i uhvatiti stanje brojača vremena.
Da bi pinove mikrokontrolera koji imaju odgovarajuću alternativnu funkciju koristio analogni komparator, oni moraju biti konfigurirani kao analogni ulazi.

Analogno-digitalni pretvarač

Analogno-digitalni pretvarač(ADC) je uređaj koji pretvara ulazni analogni signal u diskretni kod (digitalni signal), najčešće binarni. Inverzna transformacija se provodi pomoću digitalno-analogni pretvarač(DAC).
Bilo koja fizička konstantno promjenjiva veličina ili njezin ekvivalent može djelovati kao analogni signal. Najčešće se kao ulazni signal koristi ekvivalentni naponski signal za dobivanje digitalnih informacija o temperaturi, struji, vlažnosti itd.
Većina analogno-digitalnih pretvarača su linearni, što znači da je raspon ulaznih vrijednosti preslikanih na digitalnu izlaznu vrijednost linearno povezan s tom izlaznom vrijednošću. Osnova za konstruiranje ADC-a je analogni komparator.
Rezolucija ADC-a je minimalna promjena u veličini analognog signala koju može pretvoriti određeni ADC. Obično se mjeri u voltima.


Kapacitet ADC karakterizira broj diskretnih vrijednosti koje pretvarač može proizvesti na izlazu. Mjereno u bitovima. Na primjer, ADC sposoban za izlaz 2 8 =256 diskretne vrijednosti (0..255), ima kapacitet od 8 bita.
jednak je razlici u naponima koji odgovaraju maksimalnom i minimalnom izlaznom kodu, podijeljenom s brojem izlaznih diskretnih vrijednosti.

Gdje N– ADC kapacitet.
U ovom slučaju, napon na ulazu pretvarača može se procijeniti znajući rezultirajuću digitalnu vrijednost analogno-digitalne pretvorbe Vrijednost

U praksi je razlučivost ADC-a ograničena omjerom signala i šuma ulaznog signala. Kada je intenzitet šuma na ulazu ADC visok, razlikovanje između susjednih razina ulaznog signala postaje nemoguće, odnosno rezolucija se pogoršava. U ovom slučaju, stvarno moguće rješenje opisuje se efektivna bitna dubina(efektivni broj bitova - ENOB), koji je manji od stvarnog bitnog kapaciteta ADC-a. Kod pretvorbe signala s visokim šumom, niži bitovi izlaznog koda praktički su beskorisni jer sadrže šum.

Uzorkovanje signala naziva se mjerna transformacija kontinuirani signal x(t) u niz trenutnih vrijednosti ovog signala X(k i T), koji odgovaraju određenim točkama u vremenu k i T (T– korak uzorkovanja).


Signal se može uzorkovati u vremenu s konstantnim korakom T= konstanta ili promjenjivi korak T= var.

Učestalost uzorkovanja– frekvencija kojom se vrši pretvorba analogno-digitalnog signala.
Vrijeme pretvorbe– vrijeme od početka pretvorbe do pojave odgovarajućeg koda na ADC izlazu.
Referentni napon– napon koji odgovara maksimalnom izlaznom kodu.

Budući da pravi ADC ne mogu trenutačno izvršiti analogno-digitalnu pretvorbu, vrijednost analognog ulaza mora se održavati konstantnom barem od početka do kraja procesa pretvorbe (ovaj vremenski interval naziva se vrijeme pretvorbe). Ovaj problem se može riješiti korištenjem posebnog sklopa na ulazu ADC-a - uređaji za zadržavanje uzoraka(UVH). UVH, u pravilu, sprema ulazni napon u kondenzator, koji je na ulaz spojen preko analogne sklopke: kada je sklopka zatvorena, ulazni signal se uzorkuje (kondenzator se puni na ulazni napon), kada je otvoren, dolazi do pohranjivanja. ADC moduli u pravilu sadrže ugrađeni digitalni signalni kontroler.

U članku je opisan uređaj i načela rada analogno-digitalni pretvarači razne vrste, kao i njihove glavne karakteristike koje su proizvođači naveli u dokumentaciji.

Analogno-digitalni pretvarač (ADC) jedna je od najvažnijih elektroničkih komponenti u mjernoj i ispitnoj opremi. ADC pretvara napon (analogni signal) u kod, na kojem mikroprocesor i softver izvode određene radnje. Čak i ako radite samo s digitalnim signalima, najvjerojatnije koristite ADC kao dio osciloskopa kako biste saznali njihove analogne karakteristike.

Postoji nekoliko osnovnih vrsta ADC arhitekture, iako postoje i mnoge varijacije unutar svake vrste. Različite vrste mjerne opreme koriste različite vrste ADC-ova. Na primjer, digitalni osciloskop koristi visoku stopu uzorkovanja, ali ne zahtijeva visoku rezoluciju. Digitalni multimetri zahtijevaju veću rezoluciju, ali mogu žrtvovati brzinu mjerenja. Sustavi za prikupljanje podataka opće namjene obično su između osciloskopa i digitalnih multimetara po brzini uzorkovanja i rezoluciji. Ova vrsta opreme koristi ADC s uzastopnom aproksimacijom ili sigma-delta ADC. Postoje i paralelni ADC-ovi za aplikacije koje zahtijevaju brzu analognu obradu signala i integrirane ADC-ove s visokom rezolucijom i smanjenjem šuma.

Na sl. 1. prikazane su mogućnosti glavnih ADC arhitektura ovisno o razlučivosti i učestalosti uzorkovanja.

Riža. 1. Vrste ADC-a - razlučivost ovisno o frekvenciji uzorkovanja

Paralelni ADC

Većina brzih osciloskopa i neki visokofrekventni mjerni instrumenti koriste paralelne ADC-ove zbog svoje velike brzine pretvorbe, koja može doseći 5G (5x10 9) uzoraka/s za standardni uređaji i 20G uzoraka/s za originalne dizajne. Tipično paralelni ADC-ovi imaju rezoluciju do 8 bita, ali dostupne su i 10-bitne verzije.

Riža. 2. Paralelna pretvorba ADC

Riža. 2 prikazuje pojednostavljenu blok shemu 3-bitnog paralelnog ADC (za pretvarače visoke rezolucije princip rada je isti). Koristi niz komparatora, od kojih svaki uspoređuje ulazni napon s pojedinačnim referentnim naponom. Ovaj referentni napon za svaki komparator formira se na ugrađenom preciznom rezistivnom razdjelniku. Referentni naponi počinju na polovici najmanje značajne znamenke (LSB) i rastu sa svakim komparatorom u koracima od V REF /2 3 . Kao rezultat toga, 3-bitni ADC zahtijeva 2 3 -1 ili sedam komparatora. I, na primjer, za 8-bitni paralelni ADC bit će potrebno 255 (ili (2 8 -1)) komparatora.

Kako se ulazni napon povećava, komparatori sekvencijalno postavljaju svoje izlaze na logičku jedinicu umjesto na logičku nulu, počevši od komparatora odgovornog za bit najmanje važnosti. Pretvarač možete zamisliti kao živin termometar: kako temperatura raste, stupac žive raste. Na sl. 2, ulazni napon pada u interval između V3 i V4, tako da donja 4 komparatora imaju izlaz "1", a tri gornja komparatora imaju izlaz "0". Dekoder pretvara (2 3 -1) bitnu digitalnu riječ iz izlaza komparatora u binarni 3-bitni kod.

Paralelni ADC su dovoljni brzi uređaji, ali imaju svoje nedostatke. Zbog potrebe korištenja veliki broj Usporedni paralelni ADC-ovi troše značajnu energiju i nepraktični su za aplikacije koje se napajaju baterijama.

Kada je potrebna 12, 14 ili 16-bitna razlučivost i nije potrebna velika brzina pretvorbe, a niska cijena i niska potrošnja energije su odlučujući faktori, obično se koriste ADC-ovi s uzastopnom aproksimacijom. Ova vrsta ADC-a se najčešće koristi u raznim instrumentima i sustavima za prikupljanje podataka. Trenutno ADC-ovi sukcesivne aproksimacije omogućuju mjerenje napona s točnošću do 16 bita s frekvencijom uzorkovanja od 100K (1x10 3) do 1M (1x10 6) uzoraka/s.

Riža. Slika 3 prikazuje pojednostavljeni blok dijagram ADC-a sukcesivne aproksimacije. U srcu ADC-a ove vrste leži poseban sukcesivni aproksimacijski registar. Na početku ciklusa pretvorbe, svi izlazi ovog registra su postavljeni na logičku 0, s izuzetkom prvog (najvažnijeg) bita. Ovo generira signal na izlazu internog digitalno-analognog pretvarača (DAC) čija je vrijednost jednaka polovici ulaznog raspona ADC-a. A izlaz komparatora se prebacuje u stanje koje određuje razliku između signala na DAC izlazu i izmjerenog ulaznog napona.

Riža. 3. ADC sukcesivne aproksimacije

Na primjer, za 8-bitni ADC s uzastopnom aproksimacijom (slika 4), izlazi registra postavljeni su na "10000000". Ako je ulazni napon manji od polovice ulaznog raspona ADC-a, tada će izlaz komparatora biti logička 0. To upućuje registar sukcesivne aproksimacije da prebaci svoje izlaze u stanje "01000000", što će odgovarajuće promijeniti izlazni napon iz DAC-a isporučenog u komparator. Ako bi izlaz komparatora i dalje ostao na "0", tada bi se izlazi registra prebacili u stanje "00100000". Ali u ovom ciklusu pretvorbe, izlazni napon DAC-a je manji od ulaznog napona (Sl. 4), a komparator se prebacuje u stanje logičke 1. Ovo naređuje registru sukcesivne aproksimacije da pohrani "1" u drugi bit i primijeni “1” na treći bit. Opisani algoritam rada zatim se ponovno ponavlja do zadnje znamenke. Stoga SAR ADC zahtijeva jedan interni takt za svaki bit ili N ciklusa za N-bitnu konverziju.

Riža. 4. Pretvorba uzastopnih aproksimacija u ADC

Međutim, rad ADC-a uzastopne aproksimacije ima jednu osobitost povezanu s tranzicijski procesi u internom DAC-u. Teoretski, napon na DAC izlazu za svaki od N internih pretvorbenih satova trebao bi biti postavljen u istom vremenskom razdoblju. No zapravo je taj jaz u prvim mjerama puno veći nego u posljednjim. Prema tome, vrijeme pretvorbe 16-bitnog SAR ADC-a više je od dvostrukog vremena pretvorbe 8-bitnog SAR ADC-a ove vrste.

Većina mjerenja često ne zahtijeva ADC s brzinom pretvorbe SAR ADC-a, ali potrebna je veća razlučivost. Sigma-delta ADC-ovi mogu pružiti razlučivosti do 24 bita, ali su inferiorni u brzini pretvorbe. Dakle, u sigma-delta ADC sa 16 bita možete dobiti brzinu uzorkovanja do 100K uzoraka/s, a s 24 bita ova frekvencija pada na 1K uzoraka/s ili manje, ovisno o uređaju.

Tipično, sigma-delta ADC-ovi se koriste u različitim sustavima za prikupljanje podataka i mjernoj opremi (mjerenje tlaka, temperature, težine, itd.) kada nije potrebna visoka stopa uzorkovanja i kada je potrebna razlučivost veća od 16 bita.

Princip rada sigma-delta ADC je teže razumjeti. Ova arhitektura pripada klasi integrirajućih ADC-ova. Ali glavna značajka sigma-delta ADC je da frekvencija uzorkovanja, na kojoj se zapravo analizira razina napona mjerenog signala, značajno premašuje frekvenciju uzoraka na izlazu ADC (frekvencija uzorkovanja). Ova stopa uzorkovanja naziva se brzina ponovnog uzorkovanja. Stoga će sigma-delta ADC od 100K uzoraka/sekundi koji koristi 128 puta veću stopu uzorkovanja uzorkovati ulazni analogni signal pri 12,8M uzoraka/sekundi.

Blok dijagram sigma-delta ADC prvog reda prikazan je na slici. 5. Analogni signal dovodi se do integratora, čiji su izlazi spojeni na komparator, koji je pak spojen na 1-bitni DAC u povratnoj petlji. Kroz niz sekvencijalnih iteracija, integrator, komparator, DAC i zbrajalo proizvode niz sekvencijalnih bitova koji sadrži informacije o veličini ulaznog napona.

Riža. 5. Sigma-delta ADC

Rezultirajuća digitalna sekvenca se zatim primjenjuje na niskopropusni filtar kako bi se potisnule komponente s frekvencijama iznad Kotelnikovljeve frekvencije (koja je polovica ADC frekvencije uzorkovanja). Nakon uklanjanja visokofrekventnih komponenti, sljedeći čvor, decimator, prorjeđuje podatke. U ADC-u koji razmatramo, decimator će ostaviti 1 bit od svakih 128 primljenih u izlaznoj digitalnoj sekvenci.

Budući da je interni digitalni niskopropusni filtar u sigma-delta ADC-u sastavni dio procesa pretvorbe, vrijeme uspostavljanja niskopropusnog filtra postaje faktor koji treba uzeti u obzir kada se ulazni signal naglo promijeni. Na primjer, prilikom prebacivanja ulazni multipleksor ili kada mijenjate granicu mjerenja uređaja, morate pričekati dok ne prođe nekoliko ADC uzoraka, a tek tada očitati točne izlazne podatke.

Dodatna i vrlo važna prednost sigma-delta ADC-a je što se sve njegove unutarnje komponente mogu integralno implementirati na površini jednog kristala silicija. To značajno smanjuje troškove krajnjih uređaja i povećava stabilnost karakteristika ADC-a.

Integrirajući ADC

I posljednja vrsta ADC-a o kojoj ćemo ovdje raspravljati je push-pull integracijski ADC. Digitalni multimetri, u pravilu, koriste upravo takve ADC-ove, jer Ovi mjerni instrumenti zahtijevaju kombinaciju visoke rezolucije i visokog odbijanja šuma. Koncept pretvorbe u takvom integrirajućem ADC-u mnogo je manje složen nego u sigma-delta ADC-u.

Slika 6 prikazuje princip rada push-pull integracijskog ADC-a. Ulazni signal puni kondenzator kroz fiksno vremensko razdoblje, koje je obično jedan ciklus mrežne frekvencije (50 ili 60 Hz) ili višestruki ciklus. Integriranjem ulaznog signala u vremenskom razdoblju ove duljine, visokofrekventne smetnje su potisnute. Istodobno se eliminira utjecaj nestabilnosti napona mrežnog napajanja na točnost pretvorbe. To se događa jer je vrijednost integrala sinusoidnog signala nula ako se integracija provodi u vremenskom intervalu koji je višekratnik perioda promjene sinusoide.

Riža. 6. Integrirajući ADC. zelena prikazane su smetnje mreže (1 period)

Kada vrijeme punjenja završi, ADC prazni kondenzator fiksnom brzinom, dok interni brojač broji broj impulsa takta tijekom vremena pražnjenja kondenzatora. Više vremena pražnjenje tako odgovara većem očitanju mjerača i većem izmjerenom naponu (slika 6).

Push-pull integracijski ADC-ovi imaju visoku točnost i visoku rezoluciju, a također imaju relativno jednostavnu strukturu. To omogućuje njihovu implementaciju u obliku integriranih sklopova. Glavni nedostatak takvih ADC-ova je dugo vrijeme pretvorbe, zbog vezanja razdoblja integracije na trajanje razdoblja opskrbne mreže. Na primjer, za opremu od 50 Hz, frekvencija uzorkovanja push-pull integracijskog ADC-a ne prelazi 25 uzoraka/s. Naravno, takvi ADC mogu raditi s višom frekvencijom uzorkovanja, ali kako se potonja povećava, otpornost na buku se smanjuje.

Specifikacija ADC-a

Postoje opće definicije koje se obično koriste u odnosu na analogno-digitalne pretvarače. Međutim, specifikacije navedene u tehničkoj dokumentaciji proizvođača ADC-a mogu djelovati prilično zbunjujuće. Ispravan izbor optimalne kombinacije karakteristika ADC-a za konkretnu primjenu zahtijeva točnu interpretaciju podataka navedenih u tehničkoj dokumentaciji.

Parametri koji se najčešće miješaju su razlučivost i točnost, iako su te dvije karakteristike pravog ADC-a vrlo labavo povezane jedna s drugom. Razlučivost nije isto što i točnost; 12-bitni ADC može imati manju preciznost od 8-bitnog ADC-a. Za ADC, rezolucija je mjera na koliko se segmenata može podijeliti ulazni raspon analognog signala koji se mjeri (na primjer, za 8-bitni ADC to je 28=256 segmenata). Točnost karakterizira ukupno odstupanje rezultata pretvorbe od njegove idealne vrijednosti za dati ulazni napon. To jest, rezolucija karakterizira potencijalne mogućnosti ADC-a, a skup parametara točnosti određuje izvedivost takvih potencijalnih mogućnosti.

ADC pretvara ulazni analogni signal u digitalni izlazni kod. Za stvarne pretvarače proizvedene u obliku integriranih krugova, proces pretvorbe nije idealan: na njega utječu i tehnološke varijacije parametara tijekom proizvodnje i različiti vanjski šumovi. Stoga se digitalni kod na izlazu ADC-a određuje s pogreškom. Specifikacija za ADC ukazuje na pogreške koje daje sam pretvarač. Obično se dijele na statičke i dinamičke. U ovom slučaju, konačna primjena određuje koje će se karakteristike ADC-a smatrati odlučujućim, najvažnijim u svakom konkretnom slučaju.

Statička greška

U većini primjena, ADC se koristi za mjerenje sporo promjenjivog, niskofrekventnog signala (na primjer, od senzora temperature, senzora tlaka, mjerača naprezanja, itd.) gdje je ulazni napon proporcionalan relativno konstantnoj fizičkoj veličini. Ovdje glavnu ulogu igra statička greška mjerenja. U specifikaciji ADC-a ova vrsta pogreške definirana je kao aditivna pogreška (Offset), multiplikativna pogreška (Full-Scale), diferencijalna nelinearnost (DNL), integralna nelinearnost (INL) i pogreška kvantizacije. Ovih pet karakteristika u potpunosti opisuju statičku pogrešku ADC-a.

Idealna prijenosna karakteristika ADC-a

Prijenosna karakteristika ADC-a je funkcija ovisnosti koda na izlazu ADC-a o naponu na njegovom ulazu. Takav graf je po komadu linearna funkcija od 2N "koraka", gdje je N bitni kapacitet ADC-a. Svaki vodoravni segment ove funkcije odgovara jednoj od vrijednosti izlaznog koda ADC-a (vidi sliku 7). Ako početke tih horizontalnih segmenata povežemo linijama (na granicama prijelaza s jedne vrijednosti koda na drugu), tada će idealna prijenosna karakteristika biti ravna linija koja prolazi kroz ishodište.

Riža. 7. Idealna prijenosna karakteristika 3-bitnog ADC-a

Riža. Slika 7 ilustrira idealnu karakteristiku prijenosa za 3-bitni ADC sa kontrolne točke na granicama prijelaza koda. Izlazni kod ima svoju najmanju vrijednost (000b) kada je ulazni signal između 0 i 1/8 pune ljestvice (maksimalna vrijednost koda ovog ADC-a). Također treba napomenuti da će ADC doseći vrijednost koda pune skale (111b) na 7/8 pune skale, a ne na punoj skali. Da. Prijelaz na maksimalnu izlaznu vrijednost ne događa se pri punom naponu ljestvice, već pri vrijednosti manjoj od najmanje značajne znamenke (LSB) od ulaznog napona pune ljestvice. Prijenosna karakteristika može se implementirati s -1/2 LSB pomakom. To se postiže pomicanjem prijenosne karakteristike ulijevo, čime se greška kvantizacije pomiče s područja -1... 0 LSB na područje -1/2... +1/2 LSB.

Riža. 8. Prijenosna karakteristika 3-bitnog ADC-a s pomakom od -1/2LSB

Zbog tehnološkog variranja parametara tijekom proizvodnje integriranih sklopova, pravi ADC nemaju idealnu prijenosnu karakteristiku. Odstupanja od idealne prijenosne karakteristike određuju statičku grešku ADC-a i navedena su u tehničkoj dokumentaciji.

Idealna prijenosna karakteristika ADC-a prelazi ishodište, a prvi prijelaz koda događa se kada se dosegne vrijednost od 1 LSB. Aditivnu pogrešku (pogrešku pomaka) možemo definirati kao pomak cijele prijenosne karakteristike ulijevo ili udesno u odnosu na os ulaznog napona, kao što je prikazano na sl.9. Stoga je pomak od 1/2 LSB namjerno uključen u definiciju aditivne pogreške ADC-a.

Riža. 9. Dodatna pogreška (pogreška pomaka)

Multiplikativna pristranost

Multiplikativna pogreška (pogreška pune skale) je razlika između idealnih i stvarnih prijenosnih karakteristika u točki maksimalne izlazne vrijednosti, uz pretpostavku nulte aditivne pogreške (bez pomaka). To se očituje kao promjena u nagibu prijenosne funkcije, kao što je prikazano na sl. 10.

Riža. 10. Multiplikativna pogreška (pogreška pune skale)

Za idealnu prijenosnu karakteristiku ADC-a, širina svakog "koraka" trebala bi biti ista. Razlika u duljini horizontalnih segmenata ove komadno-linearne funkcije od 2N "koraka" predstavlja diferencijalnu nelinearnost (DNL).

Vrijednost najmanje značajne znamenke ADC-a je Vref/2N, gdje je Vref referentni napon, N je rezolucija ADC-a. Razlika napona između svakog prijelaza koda mora biti jednaka LSB vrijednosti. Odstupanje ove razlike od LSB definira se kao diferencijalna nelinearnost. Na slici je to prikazano kao nejednaki intervali između "koraka" koda ili kao "zamagljivanje" prijelaznih granica na ADC prijenosnoj karakteristici.

Riža. 11. Diferencijalna nelinearnost (DNL)

Integralna nelinearnost

Integralna nelinearnost (INL) je pogreška koja je uzrokovana odstupanjem linearne funkcije ADC prijenosne karakteristike od ravne linije, kao što je prikazano na slici. 12. Obično se prijenosna funkcija s integralnom nelinearnošću aproksimira ravnom linijom pomoću metode najmanjih kvadrata. Često se linija aproksimacije jednostavno povezuje između najmanje i najveće vrijednosti. Integralna nelinearnost utvrđuje se usporedbom napona na kojima se događaju prijelazi koda. Za idealan ADC, ti će se prijelazi dogoditi pri vrijednostima ulaznog napona koje su točno višekratnici LSB-a. Ali za pravi pretvarač, takav se uvjet može ispuniti s greškom. Razlika između "idealnih" naponskih razina na kojima dolazi do prijelaza koda i njihovih stvarnih vrijednosti izražava se u LSB jedinicama i naziva se integralna nelinearnost.

Riža. 12. Integralna nelinearnost (INL)

Pogreška kvantizacije

Jedna od najznačajnijih komponenti pogreške u ADC mjerenjima, pogreška kvantizacije, rezultat je samog procesa pretvorbe. Pogreška kvantizacije je pogreška uzrokovana vrijednošću koraka kvantizacije i definirana je kao? Vrijednosti najmanjeg bita (LSB). Ne može se isključiti u analogno-digitalnim pretvorbama, budući da je sastavni dio procesa pretvorbe, određen je razlučivošću ADC-a i ne mijenja se iz ADC-a u ADC s jednakom razlučivošću.

Dinamičke karakteristike

Dinamičke karakteristike ADC-a obično se određuju korištenjem spektralne analize, na temelju rezultata izvođenja brze Fourierove transformacije (FFT) na nizu izlaznih vrijednosti ADC-a koji odgovaraju nekom ispitnom ulaznom signalu.

Na sl. 13 prikazuje primjer frekvencijski spektar izmjereni signal. Nulti harmonik odgovara osnovnoj frekvenciji ulaznog signala. Sve ostalo je šum, koji sadrži harmonijsko izobličenje, toplinski šum, 1/f šum i šum kvantizacije. Neke komponente buke generira sam ADC, dok druge mogu stići na ulaz ADC-a iz vanjskih krugova. Harmonijska distorzija, na primjer, može biti sadržana u izmjerenom signalu i istovremeno generirana od strane ADC-a tijekom procesa pretvorbe.

Riža. 13. Rezultat izvođenja FFT-a na izlaznim podacima ADC-a

Omjer signala i šuma

Omjer signala i šuma (SNR) je omjer efektivne vrijednosti ulaznog signala i efektivne vrijednosti šuma (bez harmonijskog izobličenja), izražen u decibelima:

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

Ova vrijednost vam omogućuje da odredite udio šuma u izmjerenom signalu u odnosu na korisni signal.

Riža. 14. SNR - Omjer signala i šuma

Riža. 15. FFT odražava harmonijsko izobličenje

Šum izmjeren u izračunu SNR ne uključuje harmonijsko izobličenje, ali uključuje kvantizacijski šum. Za ADC s određenom rezolucijom, buka kvantizacije je ta koja ograničava mogućnosti pretvarača na teoretski najbolji omjer signala i šuma, koji se definira kao:

SNR(db) = 6,02 N + 1,76,

gdje je N rezolucija ADC-a.

Spektar šuma ADC kvantizacija standardne arhitekture imaju jednoliku distribuciju frekvencija. Stoga se veličina ovog šuma ne može smanjiti povećanjem vremena pretvorbe, a zatim usrednjavanjem rezultata. Šum kvantizacije može se smanjiti samo mjerenjem s većim ADC-om.

Osobitost sigma-delta ADC je da je njegov kvantizacijski šumni spektar neravnomjerno raspoređen po frekvenciji - pomaknut je prema visokim frekvencijama. Dakle, povećanjem vremena mjerenja (a time i broja uzoraka mjerenog signala), akumuliranjem i potom usrednjavanjem rezultirajućeg uzorka (niskopropusni filtar), moguće je dobiti rezultate mjerenja s većom točnošću. Naravno, ukupno vrijeme pretvorbe će se povećati.

Ostali izvori šuma ADC-a uključuju toplinski šum, 1/f šum i podrhtavanje referentne frekvencije.

Ukupno harmonijsko izobličenje

Nelinearnost u rezultatima pretvorbe podataka dovodi do harmonijskog izobličenja. Takva se izobličenja opažaju kao "šiljci" u frekvencijskom spektru na parnim i neparnim harmonicima mjerenog signala (Sl. 15).

Ovo izobličenje se definira kao ukupno harmonično izobličenje (THD). Oni su definirani kao:

Količina harmonijskog izobličenja smanjuje se na visokim frekvencijama do točke u kojoj amplituda harmonika postaje manja od razine šuma. Stoga, ako analiziramo doprinos harmonijskog izobličenja rezultatima pretvorbe, to se može učiniti ili preko cijelog frekvencijskog spektra, uz ograničavanje amplitude harmonika na razinu šuma, ili ograničavanjem frekvencijskog pojasa za analizu. Na primjer, ako naš sustav ima niskopropusni filter, tada nas jednostavno ne zanimaju visoke frekvencije i visokofrekventni harmonici se ne mogu uzeti u obzir.

Omjer signal/šum i izobličenje

Signal-šum i izobličenje (SiNAD) potpunije opisuje karakteristike šuma ADC-a. SiNAD uzima u obzir veličinu i šuma i harmonijskog izobličenja u odnosu na željeni signal. SiNAD se izračunava pomoću sljedeće formule:

Riža. 16. Dinamički raspon bez harmonika

Specifikacija ADC-a, navedena u tehničkoj dokumentaciji za mikrosklopove, pomaže u razumnom odabiru pretvarača za određenu primjenu. Kao primjer, razmotrite specifikaciju ADC-a integriranog u novi mikrokontroler C8051F064 koji proizvodi Silicon Laboratories.

Mikrokontroler C8051F064

Čip C8051F064 je brzi 8-bitni mikrokontroler za kombiniranu analognu i digitalnu obradu signala s dva integrirana 16-bitna SAR ADC-a. Ugrađeni ADC mogu raditi u jednožilnom i diferencijalnom načinu rada s maksimalnom propusnošću do 1M uzoraka/s. Tablica prikazuje glavne karakteristike ADC mikrokontrolera C8051F064. Za neovisnu procjenu mogućnosti digitalne i analogne obrade C8051F064, možete koristiti jeftini komplet za procjenu C8051F064EK (Slika 17). Komplet sadrži evaluacijsku ploču temeljenu na C8051F064, USB kabel, dokumentaciju i softver za testiranje analognih dinamičkih i statičkih karakteristika integriranog 16-bitnog ADC-a visoke preciznosti.

Stol. V DD = 3,0 V, AV+ = 3,0 V, AVDD = 3,0 V, V REF = 2,50 V (REFBE=0), -40 do +85° osim ako nije drugačije naznačeno

Riža. 17. Komplet za procjenu C8051F064EK

Književnost

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

Wolfgang Reis, WBC GmbH

Pri korištenju računala za obradu informacija iz raznih uređaja (objekata, procesa), u kojima su informacije predstavljene kontinuiranim (analognim) signalima, potrebno je analogni signal pretvoriti u digitalni - u broj proporcionalan amplitudi ovog signal, i obrnuto. Općenito, postupak analogno-digitalne pretvorbe sastoji se od tri faze)