Съвременни аналоговоцифрови преобразуватели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2012

Стефан Куцаров

      Класическата и отдавна използвана класификация на аналоговоцифровите преобразуватели (Analog-to-Digital Converter, ADC) АЦП е в зависимост от тяхната разредност (Resolution) и максималния брой на преобразуванията (отчетите) в секунда (Sample Per Second) SPS. В съвременните АЦП разредността продължава да е в границите между 8 и 24 бита, като все по-често се използват и някои от нечетните стойности, обикновено 11 b, 13 b и 15 b. Стойностите на SPS са в много широки граници от твърде редките 10 SPS до 3,6G SPS, като очакванията са за по-нататъшно увеличаване на горната граница. Непрекъснато разширяващите се приложения на АЦП доведоха до създаването на специфични видове, предназначени за определени области, например аудио устройства, цифрови термометри, течнокристални дисплеи. Все по-често АЦП представляват блокове на по-сложни интегрални схеми (ИС) и системи върху чип (SoC). Любопитно е сравнението между първия фабрично произвеждан АЦП (1954 г.) с разредност 11 b, консумация 500 W и тегло 68 kg със съвременните АЦП.
В статията са отразени основни представители на АЦП, пуснати на пазара след януари 2010 г. Само няколко са изключенията на по-стари АЦП, но с последно подобрение от този период.

Основни параметри на АЦП
Като елементи АЦП са познати отдавна и затова тук ще бъдат споменати само някои от характерните им параметри, улесняващи разбирането на данните в таблиците. Част от АЦП работят с едно положително захранващо напрежение, докато друга част изискват две (също положителни) - поотделно за аналоговата и цифровата част на схемата. Входният аналогов сигнал с малки изключения е напрежение и максималната му стойност е означена с Ui. Той се подава на несиметричен или диференциален вход, като в множество АЦП двойките несиметрични входове могат да се използват като диференциални. Многоканалните АЦП могат да имат до 64 несиметрични входа (наричани канали), избирането на даден от които става чрез вграден аналогов мултиплексор. Поради неизбежното наличие на шумове в някои АЦП, реалният брой на разредите (Effective Number of Bits) ENOB е по-малък от дадения като параметър.
Максималното входно напрежение, което може да бъде преобразувано, се дава от връх до връх или като ефективна стойност, като в таблиците в статията е използвана втората. Най-голямата честота на входните сигнали се представя по два начина. Означението BW (от Bandwidth) е за слаб сигнал (стойността му не се дава в каталога), докато FPBW (от Full Power BW) се отнася за най-голямото входно напрежение. Една група са динамичните параметри, които по различен начин отчитат влиянието на шумовете и създаването на нелинейни изкривявания в преобразуваните сигнали. Параметърът сигнал-шум (Signal-to-Noise Ratio) SNR се определя в децибели като отношение на напреженията на полезния сигнал и шума. За коефициента на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion) THD се използва класическото определение и той се изразява в dB. Твърде често двата параметъра се обединяват в SINAD (означава се и като S/(N+D)), от Signal - to - Noise + Distortion), т. е. отчита се едновременно влиянието на шума и нелинейните изкривявания.

Преобразуването на сигнала в число неизбежно е съпроводено с грешка. При идеален АЦП на дадено напрежение трябва да съответства определено число, докато при реалния числото се получава при друго напрежение. Най-голямата разлика между двете напрежения е интегралната нелинейност INL (Integral Non-Linearity), обикновено измервана като част от LSB, която представлява разликата между напреженията, съответстващи на две съседни стъпки. За промяна на изходното число на идеалния АЦП с 1, трябва определено изменение на входното напрежение, докато при реалния АЦП изменението е друго. Най-голямата разлика между двете е диференциалната нелинейност (Differential Non-Linearity) DNL, също измервана чрез LSB.

За икономия на енергия почти всички АЦП имат режим на очакване (Sleep Mode), в който не работят, но могат да бъдат пуснати в действие чрез подходящ сигнал на определен вход. В този режим се консумира значително по-ниска мощност, отбелязана в таблиците с Pst, докато PD е тази в нормален работен режим.

Съществени параметри са логическите нива на изходите, както и всички подробности за действието на интерфейсите (където съществуват). Всичко това е подробно отразено в техническата документация на съответните ИС, но не и в таблиците към настоящия материал, за да не се увеличава прекомерно обемът му. По същите причини не е отразен видът на задължителния източник на опорно напрежение (външен или вграден, а някои АЦП са и с двете възможности), нито големината на напрежението.

АЦП до 1 MSPS
Малката им скорост на преобразуване позволява за реализация да се използва принципът на последователните приближения (Successive Approximation Register) SAR и прави в почти всички приложения напълно достатъчно серийното извеждане на изходните числа (означено в таблиците като SER) с основна цел намаляване на броя на изводите и размерите на корпуса. Също благодарение на малката скорост значителна част от тези АЦП са с повече от един входове, което позволява използването им в системи за събиране на данни от няколко източника. Това определя една от основните области на приложение на тези АЦП – в системи за контрол на параметрите на мрежи, на електродвигатели, в системи за позициониране по няколко оси.

Като цяло, приложенията на АЦП до 1MSPS обхващат още управление на индустриални процеси (обикновено чрез прибори с батерийно захранване), обработка на данни от медицински уреди, както и вграждането им в такива, за множество системи с обратна връзка, системи с дистанционно разположени сензори и за събиране на данни от всякакви преобразуватели на неелектрически величини (включително вграждането им в тях). Тези АЦП са подходящи и за вграждане във входно-изходни модули (I/O Module) на различни индустриални и подобни системи, както и при реализацията на програмируеми логически контролери (PLC) и в блокове за диагностика (понякога наричани Protective Relay) на устройства и системи. Не трябва да се забравят и приложенията в автомобили, във вятърни и слънчеви електрогенераторни системи.
В табл. 1 са дадени характерни примери за АЦП от разглежданата категория. Съкращението DSP в графата "Интерфейси" означава, че АЦП могат непосредствено да обменят данни с някои модели цифрови сигнални процесори.

АЦП 1-10 MSPS
Количеството на новите АЦП от тази категория е твърде малко, тъй като за много голяма част от приложенията параметрите на “по-старите” преобразуватели са напълно достатъчни. Могат да се споменат два АЦП с по един диференциален вход, скорост на преобразуване 1 MSPS и интерфейс SPI: 12-разредният ISL2674 на Intersil и 16-разредният LTC2368-16 на Linear Technology.

АЦП 10-200 MSPS
Една от особеностите на тази категория АЦП е, че в голяма част от случаите се предлагат като серии от 2 до 4 ИС с еднаква структура и множество еднакви параметри с основно изключение в броя на преобразуванията. Например даденият в ред 2 на табл. 2 е с разновидности с 80 MSPS, 105 MSPS и 125 MSPS. Изходите на тези АЦП обикновено не ползват стандартни интерфейси, както предните две категории, а изходните сигнали са с някои от общоприетите логически нива. Поради големия брой на преобразуванията за реализацията на многоканални АЦП, не се използва мултиплексор, а всеки канал има собствен АЦП и преобразуванията в него се правят независимо от останалите (Simultaneous Sampling). Например даденият в ред 1 на табл. 2 съдържа 8 еднакви АЦП със самостоятелни входове и изходи. За увеличаване на скоростта на извеждане на данните значителна част от АЦП могат освен по класическия начин (един разред се предава с един импулс), да работят и с двойна скорост (Double Data Rate, DDR), известна от съвременните памети – всеки от фронтовете на импулса съдържа информация от 1 бит, т. е. импулсът носи 2 бита. В техническата документация това се отбелязва като DDR CMOS (при използване на CMOS логически нива) и DDR LVDS (при нисковолтова логика). Постепенно започва използването и на стандарта JESD204A за ускоряване на обмена на данни между АЦП и цифрови схеми. Пример е АЦП в ред 6 на табл. 2. Подобно е положението и с въвеждане на усилвател за входното напрежение с програмируем коефициент на усилване (Digital Gain), чията цел е подобряване на SNR – при по-голям входен шум автоматично се увеличава и входното напрежение. Пример за използването му е АЦП в ред 7 на табл. 2.

Характерните области на приложения на тази категория АЦП са на първо място комуникациите – различни видове радиоприемници, включително софтуерно радио, устройства на жичните мрежи, базовите станции и други устройства на безжичните мрежи, оптичните комуникации. Към това се прибавят медицинските апаратури, в това число портативни, измервателни прибори, такива за неинвазивна диагностика, включително ултразвукова, системи за обработка на изображения, многоканални системи за събиране на данни, спектроанализатори.

Табл. 2 съдържа характерни примери за различните видове АЦП в обхвата 10-200 MSPS.

АЦП 200-1000 МSPS
Увеличаването на броя на преобразуванията неизбежно води до по-голяма постояннотокова консумация. За нейното частично ограничаване захранващите напрежения на тази категория АЦП се намаляват до възможния минимум, като в момента най-масово се използва напрежението 1,8 V. В повечето случаи това са две напрежения (обикновено с тази стойност) поотделно за аналоговата и цифровата част на АЦП, но понякога (например АЦП в ред 3 на табл. 3) към тях се прибавя и трето. Поради необходимостта от голяма скорост на извеждане на цифровите данни е логично да се очаква, че изходите ще са паралелни, но има изключения с много бърз последователен изход, ползващ някоя от разновидностите на стандарта JESD204. От дадените в табл. 3 това са този в ред 4 с три едновременно работещи изхода, всеки с максимална скорост 4,375 Gbps и даденият в ред 8 с два изхода, всеки с по 5 Gbps. Също за осигуряване на голяма скорост на изходните данни най-често използваните логически нива са LVDS. Интересен факт е, че най-малко са съвременните АЦП в частта от обхвата 600-900 МSPS, вероятното обяснение за което е наличието на по-стари модели с напълно задоволителни параметри. От гледна точка на управлението в голямата част от АЦП се използва интерфейсът SPI (от дадените в табл. 3 не го притежават само тези в редове 2 и 9).

Характерните приложения на категорията отново са преди всичко в комуникационните съоръжения: жични и безжични широколентови връзки (WiMAX, LTE, TD-LTE), включително базовите станции на класическата GSM мрежа и на 3G и 4G мрежите, както и апаратури, използващи CDMA, WCDMA и TD-CDMA. Към това се прибавят блокове на радарни и спътникови системи, комуникационно измервателно оборудване, микровълнови системи за двупосочни връзки, такива за предаване на видеосигнали по оптични кабели и обработка на изображения с висока разрешаваща способност. Не по-малко важно е използването им в цифрови осцилоскопи, различни измервателни уреди с батерийно захранване, системи за събиране на данни и апаратури за обработка на медицински изображения. Съществени са и приложенията в научните изследвания (например детектори за регистриране на редки частици), в космическите връзки и специфичната, макар и важна, област на линеаризация на високочестотни усилватели на мощност.

Твърде високите работни честоти поставят сериозни изисквания към част от конфигурацията на печатните платки около АЦП, поради което много производители дават подробни препоръки за нея. Един пример е даден на фиг. 1 и той се отнася за АЦП от ред 9 на табл. 3. При използване на многослойни платки се дават и препоръки кой от слоевете за каква част от схемата да се използва.

Основните параметри на АЦП от разглежданата категория са дадени в табл. 3.

АЦП над 1 GSPS
Тази най-нова категория е с все още твърде малко представители поради очевидните трудности при реализацията. Засега нови модели предлага само National Semiconductor (вече част от Texas Instruments). Характерна особеност е наличието на двуканален входен мултиплексор за превръщане на АЦП в двуканален (този режим на работа се нарича Non-DES Mode). Една от причините за това е за използване на АЦП в системи с квадратурна модулация, като двата канала са I и Q. Възможно е мултиплексорът да не се използва, с което АЦП става едноканален (DES Mode) с 2 пъти повече преобразувания. Такива са всички АЦП в табл. 4, както и този от ред 7 на табл. 3 (при работа като едноканален, той има 1600 MSPS). В табл. 4 всички АЦП са означени като двуканални, но величината на преобразуванията им е дадена при работа като едноканални. И при тези АЦП захранващите напрежения са избрани минимално възможните, но независимо от това постояннотоковата консумация е по-голяма от тази на предната категория. Всички АЦП от таблицата са снабдени с интерфейса SPI, който освен основните си качества, улеснява и обменът на данни между АЦП и програмируеми логически матрици (FPGA).

Основните приложения на тази категория АЦП са в аналогични апаратури, както предната, но работещи до по-високи честоти. Към тях се прибавят цифровите осцилоскопи от висок клас, високоскоростните системи за събиране на данни, приемниците за сателитна телевизия, както и по-голямото участие в апаратури със специални приложения.

Специфични видове АЦП
За разлика от разгледаните дотук категории, специфичните АЦП се произвеждат за конкретна група приложения.

Делта сигма АЦП (Delta Sigma ADC, DS ADC). Няколко са основните специфични качества на тези АЦП. На първо място, това са много малкият брой на преобразуванията и ниската постояннотокова консумация. Към тях се прибавя големият брой разреди, наличието в някои случаи на повече входове и твърде често на вграден програмируем диференциален усилвател за входното напрежение. Тези параметри и структурни особености са избрани заради приложенията за измерване на неелектрически, електрически и магнитни величини в самостоятелни прибори и блокове на портативни и стационарни апаратури (например електронни електромери), медицински апаратури за едновременен контрол на няколко жизнени функции, за контрол на наличното количество електричество в акумулатори и галванични батерии, в системи за автоматизация на производствени процеси. Благодарение на голямата си разредност (типично 24 бита и по-рядко 18 - 22 бита) се осигуряват прецизни измервания и контрол, а малката консумация е особено полезна при устройства с батерийно захранване.

Принципът на всички тези измервания е чрез подходящ сензор или мостово свързване на сензори величината да се преобразува в постоянно напрежение, което постъпва на входа на АЦП. За измерване на няколко величини чрез вграден мултиплексор се "обикалят" необходимите входове. Обикновено производителите дават в каталозите типични схеми на свързване на сензорите. Като пример на фиг. 2 е показано свързването към АЦП от ред 2 на табл. 5 на резистивен мост, а на фиг. 3 - свързването на два моста за измерване на налягане и на два термистора за температура към АЦП от ред 4.

В табл. 5 са дадени няколко характерни примера за DS АЦП, като всички са с диференциален вход (или входове). Реалният брой на разредите ENOB в тези от редове 1 и 2 намалява с увеличаване на броя на преобразуванията. Със ZE и FSE са отбелязани съответно грешката в нулата (реалното входно напрежение в ppm от максималното напрежение FSR, при което изходното число е 00...0) и грешката при максималното изходно число (11...1) – то се получава при входно напрежение, различаващо се с FSЕ от това при идеален АЦП. Токът ICC,st е консумираният от АЦП в режим "очакване" (Sleep Mode). С PG са означени стойностите на коефициента на усилване на вградения програмируем усилвател (ако има такъв). Благодарение на вграден цифров филтър, нежеланото напрежение с честота 50 Hz на входа на АЦП се потиска със стойност, дадена в предпоследната колона на таблицата. Особености на АЦП от последния ред са, че може да се осигури 240 SPS, но при разредност 12 b и че чрез интерфейса I2C могат към един микроконтролер да се свържат не само няколко АЦП, но и други ИС.

АЦП за измерване на температура. Обикновено те също са DS АЦП, като имат две основни разновидности. Първата е с вграден сензор за температура, което е предпоставка за минимален брой външни елементи и съответно - размери. Първият пример е 12-разредният AD7291 на Analog Devices, който измерва температура в обхвата от -40 до +125 °С, като младшият разред на изходното число съответства на 0,25°, но грешката на измерване е ±1 °С. Той има и 8 несиметрични входа за външни напрежения. Захранва се с две напрежения 2,8 - 3,6 V и 1,65 - 3,6 V, а размерите му са 4,1x4,1x0,8 mm. Вторият е ADC128D818 на National Semiconductor (TI) със същата разредност, обхват на температурата и допълнителни входове, но на младшия разред съответстват 0,5 °С при грешка ±3 °С. Захранва се само с едно напрежение 3 - 5,5 V и има размери 5x4,4x0,9 mm. Вграденият сензор в 16-разредния ADS1118 на Texas Instruments осигурява измерване отново в същия температурен обхват, но на младшия разред съответстват 0,03125 °С при грешка ±1 °С. Допълнителна негова възможност е измерване на температура чрез външно свързвани термодвойки и термистори. Захранващото напрежение е 2 - 5,5 V при размери 2x1,5x0,4 mm.

Втората разновидност са предназначени само за работа с външни сензори, които могат да бъдат термистори, резистори с метал като термочувствителен елемент (Resistance Temperature Detector, RTD) и термодвойки. По принцип разликата им от класическите DS АЦП е във входния блок (Analog Front End, AFE). И за трите вида сензори е предназначен 24-разредният ADS1248 на TI с 4 диференциални входа и до 2 kSPS преобразувания, като изходните данни се получават чрез интерфейса SPI и се обработват от микроконтролер. И този АЦП работи с две захранващи напрежения по 2,7 - 5,25 V и има размери 5,1x4,5x1,2 mm.

АЦП за звуковия обхват. Съвременният звукозапис и предаването на звукови сигнали на разстояние става практически изцяло по цифров път. Това прави задължително преобразуването на реалните аналогови сигнали (например от изхода на микрофон) в цифрови чрез АЦП. Един от специфичните параметри на тези АЦП е честотата на преобразувания (техния брой) в секунда на аналоговия сигнал (Audio Sampling Rare) ASR. По принцип, колкото тя е по-голяма, толкова по-точно е преобразуването.
Основен производител на АЦП за звуковия обхват е Wolfson Microelectronics, а продуктите, които се разделят в две големи групи - моно и стерео. Пример за моно АЦП е WM8952 с осем стойности на ASR между 8 и 48 kHz, желаната от които се избира по програмен път. За улеснение на приложенията в АЦП е вграден микрофонен предусилвател с регулируем (също по програмен път) коефициент на усилване. Захранването на АЦП е с две еднакви напрежения 1,71-3,6 V, а размерите му са 2,59x2,5x0,459 mm.

Групата на стерео АЦП е предназначена за блокове във висококачествени устройства, студийно оборудване, цифрови приемници. Пример за такъв АЦП е 24-разредният WM8781 с ASR между 8 и 192 kHz (последната е най-високата засега използвана в АЦП за звукови сигнали). Двете му захранващи напрежения са 2,7 - 3,6 V и 2,7 - 5,5 V при размери 7,5x5,6x1,85 mm.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top