Съвременни АЦП и ЦАП

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 6/2019 • 16.09.2019

Съвременни АЦП и ЦАП

Стефан Куцаров


Аналогово-цифровите (ADC, АЦП) и цифрово-аналоговите (DAC, ЦАП) преобразуватели са в категорията на класическите електронни схеми поради своята 80-годишна история и продължаващото им масово използване както като самостоятелни интегрални схеми (ИС), така и като блокове на многофункционални ИС. В настоящата обзорна статия са включени АЦП и ЦАП с пазарно представяне след 1.09.2016 г.

 

Аналогово-цифрови преобразуватели

Производителите ги класифицират в зависимост от структурата и според максималната скорост на преобразуване (Data Rate, Sampling Rate) DR на входния аналогов сигнал, наричана и честота на квантоване, като двете класификации се ползват едновременно. Таблици 1-4 в статията отразяват основните групи АЦП в зависимост от DR. Съществуващите освен тях бързи АЦП (Flash ADC) и АЦП за дисплеи (Display ADC) с непосредствено свързване се използват сравнително рядко (това се отнася и за появата на нови модели), поради което не са отразени в статията.

В колона 4 на таблиците са отбелязани някои от съществените особености на АЦП като типът им и видът на аналоговите входове AIN, всеки от които обикновено е диференциален с възможност да се използва и като два несиметрични. Към това са прибавени евентуалното наличие на вградени програмируем усилвател PGA (Programmable Gain Amplifier) или буфер за входното напрежение, операционни усилватели ОА, източник VR (Voltage Reference) на опорно напрежение VREF и сензор TS за контрол на температурата на кристала. От многобройните параметри на АЦП в колони 5 и 6 освен разредността и DR са включени интегралната нелинейност (Integral Nonlinearity) INL, максималното входно напрежение (Full-scale Input Voltage Range) FSR на аналоговите входове и техният входен импеданс RIN, захранващото напрежение на аналоговите блокове AVDD и на цифровите DVDD, консумираните от тях токове IAVDD и IDVDD и видът на интерфейса. Тъй като IDVDD е правопропорционален на DR, в техническата документация се дава неговата стойност при максималната скорост или графика IDVDD(DR).

АЦП с DR < 100 ksps. Означават се като High Resolution ADC поради разредността (Resolution) си - обикновено между 16b и 24b при нарастване на относителния дял на тези с 32b. Това определя наименованието прецизни АЦП с типични приложения в системи за измерване и контрол на температура (вкл. такива с батерийно захранване) в индустрията например за управление на производствени процеси, за контрол на захранващите напрежения на устройства с мрежово или батерийно захранване, за измервания и обработка на сигналите от сензори, в медицински прибори например за постоянно следене състоянието на пациенти, в сградни системи за управление, за реализация на модули на контролери (PLC и DSC) и др.

Основният тип са делта-сигма АЦП (Delta-Sigma ADC, Δ-Σ ADC), означавани и като сигма-делта АЦП, които консумират неголяма мощност и може да са с малки размери. На фиг. 1 е показана същността на структурата им, която е на АЦП от ред 5 в табл. 1.

 

 

Тя съдържа незадължителния, но масово използван PGA с коефициент на усилване G, установяван в зависимост от входното напрежение и съответно позволяващ работа с различни негови източници. От G зависи стойността на FSR. Управляваният чрез интерфейса мултиплексор MUX позволява работата на PGA с 4 несиметрични или два диференциални входа AIN0-AIN1 и AIN2-AIN3. Източникът VR и вграденият Oscillator също не са задължителни, например в АЦП на ред 3 в табл. 1 последният е с честота 8,192 MHz. Вход ADDR е специфичен за АЦП с възможност за адресиране.

Характерна особеност на АЦП на ред 1 в табл. 1, която е в сила за множество други АЦП (например дадените на редове 2 и 5) е програмирането на DR. Към това се прибавят патентованият блок за разпознаване наличието на несвързани AIN (Open Wire Detection) и възможността на АЦП да работи и с външен осцилатор. Даденият на ред 2 може да се използва и за преобразуване на звукови сигнали в 16-битови числа, а FSR зависи от напрежението на VR. Малката DR и вградените два ОА в АЦП на ред 4 са заради основното му предназначение за измервателни прибори. Той заедно с АЦП на ред 6 в таблицата имат общо захранващо напрежение на аналоговата и цифровата си част.

 

АЦП с DR от 100 ksps до 10 Msps. Основната част от тях са АЦП с регистри с последователно приближение (Successive Approximation Register ADC, SAR Analog to Digital Converter, SAR ADC) с разредност на изходното число обикновено между 10 и 16 b. Голямата им DR отново е необходима за системи за тестване и измерване, за сградна автоматизация и управление на производствени процеси, за обработка на сигналите от някои сензори и реализация на модули на PLC. Към тях се прибавят приложения в комуникационни системи и такива за събиране на данни, битова електроника, ключови стабилизатори, управление на електродвигатели и като блокове на автомобилната електроника, например системите за управление на акумулаторите на електромобили. От тези АЦП обикновено не се изисква преобразуваните напрежения да са в особено широки граници нито да имат много малки стойности, поради което те не съдържат PGA. Сравнително рядко вместо него има буфери на входовете за увеличаване на RIN и съответно осигуряване работа с високоомни източници. Също сравнително рядко АЦП са с вграден VR, а специфично предимство е слабата им уязвимост към електромагнитни полета.

Даденият АЦП на ред 1 в табл. 2 може да работи с едно положително захранващо напрежение VDD или с двойно захранване, които съответно позволяват прилагането на еднополярни и двуполярни входни напрежения. Към това предимство се прибавя ползването на патентован принцип за промяна на FSR в процеса на работа на АЦП, позволяващ разширяване на приложенията. Възможно е задаването по 4 негови стойности за еднополярни и двуполярни напрежения, а в табл. 2 е даден само най-големият двуполярен FSR. Сред АЦП, необходими за прецизни системи за събиране на данни, е даденият на ред 2, работещ с външно опорно напрежение +VREF между 2,4 и 5,1 V, а диференциалният му вход изисква то да е насложено върху 0,5 VREF. Чрез SPI може да се задава режим High-Z mode с увеличено RIN, който се препоръчва за преобразуване на входни напрежения до около 100 kHz.

За прецизна обработка на 6 звукови сигнала е АЦП на ред 3, като за всеки от тях има отделен вход. Изборът на едно от неговите DVDD става чрез логическото ниво на предназначен за това извод. Преобразуването се извършва чрез импулснокодова модулация (РСМ) или от системата Direct Stream Digital (DSD) чрез избор с логическото ниво на определен вход на АЦП. Специфично за АЦП на ред 5 е по-правилното по принцип задаване на RIN чрез тока на аналоговите входове (в случая 2 nA) и техния паразитен капацитет (20 pF).

 

 

Даденият на ред 6 АЦП е един от общо 6 модела с общо означение МСР331x1D-xx, разредност 12, 14 и 16 b и DR 500 kbps и 1 Mbps. Те работят с външно опорно напрежение VREF между 2,5 и 5,1 V, на което е равна стойността на FSR. Основно за приложения в автомобили е АЦП от ред 7 и затова температурният му обхват и максимално допустимото напрежение от електростатични разряди са според стандарта AEC-Q100, а разредността не е голяма.

Съществуващите отдавна модули на АЦП не изостават от тенденцията за намаляване на размерите. Вече има модели с големина практически равна на тази на интегралните АЦП и за тях е в сила започващият да се утвърждава термин микромодули (mmodule). Типичен пример е даденият на ред 3 в табл. 2, който освен чип на АЦП има входен буфер, такъв за VREF с ток 40mA за външни товари и линеен постояннотоков стабилизатор за захранване на чипа на АЦП също с изход за външни товари. Микромодулът работи с външно VREF между 2,4 V и 5,1 V.

АЦП с DR от 10 Mbps до 1 Gbps. Обикновено се наричат бързи АЦП (High Speed ADC), без това да е задължително. Относителният дял на областите на приложението им е по-малък в сравнение с предните две групи, което определя по-рядката поява на новости, а удовлетворяването на изискванията на множество нови апаратури става с модели и от предишното десетилетие. Така например продължава да се произвежда пуснатият в продажба през 2006 г. модел RHF1201 на STMicroelectronis с разредност 12 b и DR=50 Msps, предназначен за работа в условия на повишена радиация. Характерни области на приложение на тази група АЦП са устройства, обслужващи съвременните широколентови комуникации, например базови станции на GSM мрежата, тестово оборудване, програмно реализирани радиокомуникационни системи (Software-defined radio) SDR, микровълнови приемници, многоканални системи за събиране на данни, медицински устройства, прибори за ядрената електроника и за физиката на високите енергии, управленията на електродвигатели. По-голямата DR ограничава разредността, чиито типични стойности са между 8b и 14b и по-рядко 16b.

 

 

За постигане на желаната DR структурата на тези АЦП се различава от предните два типа, като една част са с последователно преобразуване (Pipelined ADC), какъвто е даденият на ред 2 в табл. 3. Друга особеност е, че бързото преобразуване трябва да е свързано с бързо получаване на изходните числа, поради което те не се предават чрез описаните класически интерфейси, а се ползва сериен LVDS (означаван като SLVDS). Такива са АЦП на редове 1 и 3 или SLVDS и CMOS (ред 2). Когато действието на АЦП включва външно управление, то се прави чрез класически интерфейс, например SPI за дадения на ред 2. Стойността на FSR обикновено се задава като напрежение връх до връх Vp-p, което е използвано в табл. 3. Особено съществена за тези АЦП е максималната честота на входното напрежение (Full-Power Bandwidth) BW. При два или повече входа за всеки от тях има отделен блок за преобразуване с отделен изход, което е принципна възможност за едновременна обработка на всички входни сигнали.

Даденият АЦП на ред 1 в табл. 3 може да преобразува и сигнали от несиметричен източник, но те трябва да се свързват чрез трансформатор, при което честотата им може да е в границите от 5 MHz до 70 MHz. Възможни са няколко схеми на свързване, дадени в каталога. Част от серия от 11 АЦП с разредност 12, 14 и 16 бита и DR между 130 Msps и 500 Msps е този на ред 2, като изводите на всички от серията са съвместими. Несиметрични източници могат да се свързват на входа на тези АЦП отново чрез трансформатор, като за различните схеми BW не е една и съща.

АЦП с DR по-голямо или равно от 1 Gsps. Новостите в тази група също са сравнително малко по подобни причини, както предната. Те са с DR практически до 10 Gbps и многобройните особености при тези честоти са причина всеки производител самостоятелно да търси решения за структурата им, обикновено без да дава сведения за нея. Общото за тези АЦП е наличието на диференциални входове и изходи и широкото използване на стандарта JESD204B за формиране на изходните числа. Към това трябва да се добави ползването обикновено на две или повече захранващи напрежения, които в колона 5 на табл. 3 са означени с VDD. В същата колона е общата консумирана мощност PD. Управлението на работата на АЦП обикновено се извършва чрез интерфейса SPI, ползван във всички модели в табл. 3. За приложенията на тези АЦП трябва да се има предвид даваната в каталозите им използваема честотна лента (Usable input frequency range), която е с по-голяма горна гранична честота от BW.

 

 

Приложенията на АЦП с DR над 1 Gsps са аналогични на предната група, но към тях се прибавят осцилоскопи, специфични типове радари (Synthetic aperture radar, phase array radar), системи за измерване на разстояние (Time-of-Flight и LIDAR), спектрометри и др.

Входът на преобразувателя на ред 1 в табл. 4 е свързан през буфер към блока АЦП, след който има цифров сигнален процесор (DSP) за оформяне на изходното число. Четирите входа на АЦП на ред 2 могат да се свързват по различен начин чрез съответния блок така, че при работата му като четириканален се получава DR=1,5 Gsps, като при двуканален тя е 3 Gsps и 6 Gsps при едноканален. Подобно е действието на АЦП на ред 3 - като едноканален има DR=6,4 Gsps и 3,2 Gsps като двуканален. Чрез управлението стойността на неговото Vp-p може да се задава с 4096 стъпки в отбелязаните в табл.3 граници.

Специфични видове АЦП. Предназначени са за преобразуване на определен вид сигнали и съответно имат конкретна област на приложение. Предназначението на звуковите АЦП (Audio ADC) е ясно от наименованието им, тяхната разредност е между 16 и 32 бита, а стойността на DR е с долна граница 8 kHz и горна от 96 kHz до 768 kHz в зависимост от модела. За стереосигнали с динамичен обхват 108 dB е АК5522 на Asahi Kasei Microdevices с типична консумирана мощност 76 mW, температурен обхват -40÷+105°С и корпус 4х4х0,75 mm. С обхват 106 dB и промяна на коефициента на усилване на вградения PGA е 4-каналният TLV320ADC3140 на Texas Instruments с температурен диапазон -40 ÷ +105°С. Съществуват АЦП с прибавена към основното им предназначение възможност за обработка на звукови сигнали. Такъв е даденият на ред 2 в табл. 1, който освен за работа със сензори може да се използва като 16-битов за звукови сигнали.

Нарастващите приложения на сензорите и стремежът изходната им величина да е двоично число също е причина за създаването на подходящи АЦП. Един от тях са новите преобразуватели капацитет-число (Capacitance-to-Digital Converter) CDC с изход, съответстващ на свързания на входа им капацитет, който от своя страна е пропорционален на измерваната от сензорите физична величина (налягане, влажност, ускорение, ниво на течност, положение, сила и други). Типичен пример е наборът от седем ИС с общо означение PCap04 на производителя AMS, предназначен за едновременно измерване на 6 замасени или 3 незамасени капацитета между 1 pF и 100 nF. Разредността му е между 11 и 20 бита в зависимост от DR (тя може да е между 2,5 sps и 50 ksps), а изходът е в съответствие с интерфейсите SPI и I2C. Част от моделите са за работен температурен обхват -40÷+125°С и корпус 4х4х0,9 mm.

Друг вид са новите токови АЦП (Current Input ADC), които очевидно преобразуват входния си ток в число. Използват се за свързване към прибори с изходна величина ток като оптични и други сензори, в дисплеи и таблети, медицински уреди, в системи за следене на параметрите на околната среда, както и за управление на индустриални процеси. Пример е AS89020 на AMS (производство на дъщерната AMS Sensors) с възможност за едновременна работа с 4 сензора, разредност 12 b, DR до 100 ksps и програмируем изходен ток с максимална стойност между 11,7 nA и 12 μA. Изходното число е формирано в съответствие с SPI, работният температурен обхват е -25÷+125°С при размери 8,64 х 3,81 х 1,62 mm.

Съществуващите отдавна модули на АЦП не изостават от тенденцията за намаляване на размерите. Вече има модели с големина практически равна на тази на интегралните АЦП и за тях е в сила терминът микромодули (mmodule). Такъв е даденият на ред 3 в табл. 2, който освен чип на АЦП има входен буфер, такъв за VREF с ток 40 mA към външни товари и линеен постояннотоков стабилизатор за захранване на чипа на АЦП също с изход за външни товари. Микромодулът работи с външно VREF между 2,4 и 5,1 V.

 

Цифрово-аналогови преобразуватели

Класификацията им обикновено се прави в зависимост от вида на изходната величина, което е използвано и в статията. Някои производители предпочитат да ги разделят на прецизни (Precision DAC) и бързи (High Speed DAC), като първите са с по-голяма разредност, а вторите преобразуват напрежения с честоти до 1-10 MHz (няма точно определена горна граница за ползване на наименованието).

ЦАП с напрежителен изход (Voltage Output ADC). Относителният дял на тази група е значително над 50% от общото количество. Приложенията й са в системи за събиране на данни (Data Acquisition System), такива за автоматизация на производството, в измервателни уреди, в звукотехниката (Audio DAC), периферни устройства на компютри, комуникационни мрежи, радари. Нараства делът на многоканалните ЦАП (Multichannel DAC) за преобразуване на повече от едно напрежение, за всяко от които има отделен изход.

 

 

В параметрите на дадените в табл. 5 ЦАП са включени разредността на изходното число, границите в които е изходното напрежение Vout, максималният изходен ток Iout, времето (Output Voltage Settling Time) ts за установяване на Vout след постъпване на входно число и/или скоростта на неговото изменение (Slew Rate) SR. Обикновено в документацията има и графики Vout(t) за нарастването и намаляването на Vout. Други параметри са аналогичната на АЦП величина INT, захранващите напрежения на аналоговите (VCC) и цифровите (VDD) блокове и консумираните от тях токове ICC и IDD. Броят на каналите обикновено е между 1 и 16, а разредността на изходните числа е 6-18.

Често се предлагат серии ЦАП с различна разредност и малка разлика в останалите параметри, като може един модел да е с два или повече различни корпуси. Данните на входа на съвременните ЦАП практически винаги са формирани чрез интерфейс и с определена от него честота постъпват в следващия блок в последователен код.
Идея за структурата на напрежителен ЦАП за едновременно преобразуване на данните от N източника е дадена на фиг. 2. Интерфейсният блок Int превръща данните от всеки източник в число, което се записва в регистър и евентуално в памет на блока Logic, от който в паралелен код се прехвърля в съответния преобразувател DACi. Аналоговите изходни напрежения на преобразувателите през буферите Bi, които могат да бъдат повторители на напрежение, усилватели и PGA, се получават на изходите Outi.

В таблица 5 са дадени основните параметри на ЦАП с напрежителен изход, като тези на редове 4 и 7 са високочестотни (RF-Sampling DAC) и вместо ts и SR параметър е скоростта на преобразуване със стойности 4,9 Gsps на първия и 9 Gsps на втория. Техните входни данни отново са в съответствие с интерфейса JESD204B, управлението на работата им е чрез дадения в предпоследната колона на таблицата интерфейс, а входът и изходът са със съпротивление 50 Ω за съгласуване. Даденият на ред 2 е за звукови стереосигнали (Stereo DAC) и на изходите му има усилватели с горна гранична честота 20 kHz за 32-омови слушалки. Част от набор от 12 едноканални и двуканални ЦАП с разредност 8, 10 и 12 бита е този на ред 3.

 

 

ЦАП с токов изход (Current Output DAC). Техният относителен дял е по-малък от този на напрежителните поради по-ограничените приложения. Освен двете споменати класификации се използва и такава в зависимост от вида на изхода. При небуферираните ЦАП (Unbuffered DAC) той е непосредствено от блока за преобразуване (дадените на редове 1 и 2 в табл. 6), а при буферираните (Buffered DAC) между него и изхода има буфер (редове 3 и 4). Многоканалните ЦАП са с отделни блокове за преобразуване и изходи, които могат да се свързват успоредно за получаване на по-голям изходен ток Iout. Съществуват ЦАП с възможност за работа и като напрежителни (редове 2 и 4 на табл. 6), както и такива с вграден АЦП (ред 2 с 12-битов).

Основните приложения са за задаване на желан ток в системи за управление, вкл. такива за сградна автоматизация, реализация на програмируеми логически контролери, захранване на сензори, соленоиди и нагреватели, оптоелектронни системи и лазери, реализация на индустриални мрежи (4-20 mA Current Loop) и мрежи с HART протокол (моделът на ред 4 в табл. 6 има специален вход за него).

 

 

Структурата на ЦАП с токов изход е подобна на фиг. 2 с изходна величина ток, пропорционален на входното число, като в част от тях (дадените на редове 1, 2 и 4 в табл. 6) той може да се програмира. Даденият на ред 3 е за звуковъзпроизвеждане в таблети, смартфони, лаптопи и други преносими битови устройства, поради което е с вграден усилвател за слушалки и вместо Iout има за параметър изходната мощност Pout.

 

Микроконтролери с АЦП и/или ЦАП

Добавянето на блокове на АЦП, придружени в някои модели от ЦАП, от PGA и операционни усилватели, позволява замяната на две или повече ИС с един микроконтролер. Това е особено полезно във всякакви “интелигентни” прибори, при изграждането на IoT мрежи, реализацията на преносими устройства (Wearable, Fitness, Medical) и измерването на консумацията на електроенергия. Характерна особеност е предлагането на серии микроконтролери, различаващи се само по разредността на процесорния си блок и обема на паметите. В таблица 7 броят на моделите в една серия е отбелязан в колона 2.

 



ЕКСКЛУЗИВНО

Top