Съвременни АЦП
Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2007
Новости при аналоговоцифровите преобразуватели
Използването на аналоговоцифровите преобразуватели (Analog-to-Digital Converter) АЦП продължава да нараства. И това се отнася не само за утвърдени приложения, а и за тяхното навлизане в нови области. Затова не е учудващо, че има фирми, произвеждащи по 400-500 модела АЦП. Сред тяй са не само утвърдени от годините и станали "индустриален стандарт" прибори, но и много нови с подобрени параметри и разширени възможности. Статията представя новостите в структурата и параметрите на интегралните схеми на най-масовите АЦП, като с малки изключения са представени модели, пуснати на пазара през 2006 г. и първите месеци на 2007 г.
Основни параметри
Те се съдържат в таблиците за сравнение на фирмените каталози и в подробните технически данни.
Разредността (Resolution, Bits) n се определя от броя на разредите на изходното число на АЦП. Използват се стойностите от 8 до 24 без 17, 19 и 23 и твърде рядко 6 и 7.
Обхватът (Input Range, Full Scale) FS представлява най-голямото входно напрежение, което теоретически може да бъде преобразувано. Тъй като изходното число М на идеален АЦП се изменя с единица (1 LSB) при промяна на входното напрежение с една стъпка D=FS/2n, то реалният обхват (2n-1)FS/2n съответства на най-голямото М. При двуполярно входно напрежение старшият разред на М определя полярността му.
Максималната скорост на преобразуване (Conversion Rate, Throughput-Rate, Sample Rate, Output Update Rate) CR показва най-големия брой стойности на входното напрежение, наричани още отчети (Sample), който може да бъде преобразуван за 1 s. Мерната единица е отчета в секунда (sps) със стойности от десетина sps до 3 Gsps. В реалните АЦП за промяна на М с 1 е необходимо изменение на входното напрежение с D + DNL, където DNL е параметърът диференциална нелинейност (Differential Nonlinearity) DNL с измерение LSB. Той може да е положително или отрицателно число. При DNL < 1 LSB не се получава грешка в изходното число, което в каталозите се отбелязва като "No missing code". Грешки настъпват при DNL і 1.
Например увеличаването на входното напрежение с D = 1 LSB е съпроводено с DNL = -1 LSB - промяна на преобразуваното напрежение няма и изходното число не се изменя (това е Missing code). Резултатът е невъзможност да се използва младшият разред на М, тоест реалната разредност става n - 1.
Параметърът интегрална нелинейност (Integral Nonlinearity) INL представлява разликата между напрежението, съответстващо на дадено число и входното напрежение, което го е създало. Измерва се в LSB, % от FS или ppm от FS. Например 12-разреден АЦП c FS=4,096 V има D = 1 mV и при входно напрежение 3,14 V би трябвало да се получи изходно число 3140. На INL = +0,3%FS съответства напрежение +0,03.10-12 x 4,096V = 1,23 mV и изходното число ще е 3141.
Отношението сигнал-шум e SNR=20lg(FS/UoN), dB, където UoN е изходното напрежение на шума, генериран в АЦП. Теоретичната формула е SNR=1,76 + 6,02n, dB, а практически SNR е с няколко dB по-малко, като разликата нараства с увеличаване на честотната лента, в която се измерва шумът. Преди да бъде преобразувано входното напрежение преминава през аналоговата част на АЦП и променя формата си.
Това се отчита от параметъра SINAD (Signal-to-Noise + Distortion Ratio), представляващ отношение в dB на основния хармоник към сумата от шума и останалите хармоници. Стойностите му са малко под SNR, а при пренебрежими нелинейни изкривявания на напрежението - равни на SNR.
Пряко свързан със SINAD е реалният брой на разредите (Effective Nimber Of Bits) ENOB, по-малък от n. Зависимостта е ENOB = 0,166SINADdB - 0,292.
На изходното число М съответства напрежение UМ, което би трябвало да е равно на входното. С увеличаване на честотата му, неговата стойност започва да намалява, което се оценява чрез параметъра горна гранична честота (Full Power Bandwidth) FPBW. При нея и входно напрежение FS се получава UM/Ц2 - приема се, че напрежения с по-висока честота не могат да бъдат преобразувани.
За консумираната от АЦП мощност е в сила общото правило "по-голяма скорост на преобразуване - по-голяма консумация". Например в табл. 1 дадената мощност на AD7693 е за скорост 500 kbps, докато при 1 kbps тя е само 40 mW.
Важна характеристика, а не параметър, е видът и броят на входовете на АЦП. Съществуват АЦП с несиметричен вход (Single-Ended Analog Input) и с диференциален вход (Differential Analog Input). В някои АЦП последните могат да се свързват като псевдо диференциален вход (Pseudo Differential Input), което е показано на фиг. 1. Тук входното напрежение Ui се подава между единия от входните изводи и маса, докато на другия има постоянно напрежение UR. Така напрежението за преобразуване Uid е равно на Ui, но е транслирано с UR. Смисълът от това свързване е компенсиране на нежелана постоянна съставка в Ui. Броят на входовете АЦП е 1 до 4, 6, 8 и дори 16, като има два начина за използването им. В част от АЦП чрез мултиплексор напрежението на избрания вход се подава на единствения блок за преобразуване в число, докато останалата част съдържат съответния брой преобразуватели.
За приложенията е важен и начинът на свързване на изхода на АЦП към цифрови блокове. За максимална бързина на предаване са предназначени АЦП с паралелен изход (Parallel Interface), докато за малък брой изводи се предпочитат тези с последователен изход (Series Interface). Значително е и разнообразието на логическите нива на изходите - CMOS, TTL, LVTTL, LVPECL, LVDS, като с безспорно предимство се ползват АЦП, които могат да обменят данни с повече от един интерфейс.
АЦП с последователно приближение SARADC (Successive Approximation ADC)
Като принцип на действие те са твърде стари, но продължават да са един от трите най-разпространени вида. Основните им приложения са в измервателни уреди, системи за събиране на данни, медицински апаратури и такива с батерийно захранване, индустриални системи за контрол и управление, включително свързване към сензори. Разредността им е между 8 и 18.
Все по-голяма част от тях се реализират по CMOS технология, поради което входната им следящо-запомняща схема (Sample and Hold, Track and Hold) е с превключваеми капацитети. Освен това в задължителния цифровоаналогов преобразувател се използва капацитивна матрица и той се означава като CDAC, Switched Cap DAC или Charge-Redistributed DAC.
Идея за неговата работа е дадена на фиг. 2, която представлява 3-разреден CDAC, заедно с компаратора след него. За показаното положение на ключовете кондензаторите са свързани към входното напрежение Ui, подавано на AIN. При отваряне на SIN и SC те остават заредени до моментната стойност на Ui с количество електричество Qi = 2CUi. Сега S1 превключва кондензатора С към VREF и зарядът му намалява с CVREF. Останалият заряд 2CUi - CVREF = C(2Ui - VREF) върху всички кондензатори определя напрежение върху тях Ui - 0,5VREF. Когато то е положително, т.е. Ui > 0,5VREF, на изхода на компаратора се получава "1" и S1 остава свързан към VREF. Отрицателно напрежение върху кондензаторите води до "0" и превключва S1 към маса. Така се формира старшият разред на изходното число. Следващата стъпка е на формиране на втория разред чрез включване към VREF на кондензатора С/2. Той се зарежда до 0,5СVREF и към напрежението на входа на компаратора се прибавя 0,25VREF. Пример за класическа структура на SARADC, но с използване на CDAC е AD7634 (фиг. 3) с параметри в табл. 1.
В зависимост от начина на установяване на FS съществуват няколко разновидности на SARADC. Първата са тези фиксиран FS, които задължително са с вграден източник на опорно напрежение. Другата също са с вграден източник, но имат възможност за програмиране на FS. При SARADC с външен източник на опорно напрежение обикновено FS е равен на това напрежение, т.е. може да се задава в определени граници. И накрая са SARADC с вграден източник и възможност за включване и на външен - при тях FS също може да се програмира. Примери за SARADC с програмируем FS са AD7328 и AD7634 от табл. 1. Обхватът на първия може да е ±10V, ±5V, ±2,5V и +10 V, като полярността на входното напрежение се отчита чрез 13-ти разред (12-bit Plus Sign). Използваната технология iCMOS позволява върху кристала на ИС да се изработват нисковолтови CMOS блокове и високоволтови биполярни транзистори.
С външно опорно напрежение работи AD7693, който има и предимството, че към изходите му могат да се свързват цифрови схеми със захранващи напрежения 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V и 5 V.
Консумирането на малка мощност, често съчетано с едно малко положително захранващо напрежение, е характерно за значителна част от SARADC. Един от примерите е AD7982, който независимо от двете си захранващи напрежения (+2,5V за аналоговата част и +2,3 ё +5,5 V за цифровата част) и голямата разредност консумира типично 7 mW.
Подобни са МАХ1364 с напрежение +5 V, който освен с вградения източник на опорно напрежение може да работи и с външен с напрежение между 1 V и захранването, МАХ1147 с напрежение между +2,7 и +3,6 V и МАХ1393 с напрежение между +1,5 и +3,6 V. Последният при +1,8 V и CR = 1 ksps консумира 3,1 mW, което го прави особено подходящ за работа със сензори. Освен това в него чрез специален управляващ вход се определя работата с едно- или двуполярни входни напрежения.
Многобройни са причините, поради които входното напрежение на АЦП не е желателно да излиза извън границите за нормална работа. В МАХ1364 е предвидена възможност за реакция на това чрез вградения детектор с прозорец и програмируеми прагове.
В редица приложения са необходими твърде малки стойности на FS. За тях е подходящ МСР3304, чието външно опорно напрежение и съответно FS може да е между +0,4 и +5 V. Характерна особеност е, че при най-малката стойност на FS разредността намалява на 11. За работата му е необходимо едно захранващо напрежение между +2,7 и +5,5 V. Със същото захранващо напрежение е МСР3221, който е в миниатюрния корпус SOT-23-5 с вграден генератор за квантуване на входното напрежение.
За намаляване на броя на изводите на SARADC с паралелен изход се използва байтова организация. Пример е ADS8507, който е с 9 вместо с 16 паралелни изхода. На 8 от тях един след друг се появяват двата байта на числото, които се разпознават по логическото ниво на 9-ия изход.
Не са редки случаите, когато трябва да се преобразуват напрежения от високоомни източници, чието непосредствено свързване към сравнително нискоомните входове на АЦП не е възможно. Вместо използването на външен буфер съществуват АЦП, в които той е вграден. Пример е ADC-HZ със самостоятелен буфер, който може да се използва само при необходимост. Всяка от многото стойности на FS на този SARADC се осигурява чрез свързване на изводите на ИС. Също интересна особеност са трите стойности на CR, които се задават чрез постоянно напрежение на специален извод.
Делта-сигма АЦП
(Delta-Sigma ADC) - DSADC
Все още се използва и по-старото им наименование сигма-делта АЦП. Тяхната разредност е между 14 и 24, като са единствените АЦП за стойности над 18.
Поради принципът им на действие параметърът CR не надхвърля няколко ksps, а изходите с малки изключения са последователни. Практически DSADC се реализират само като CMOS ИС с едно положително (обикновено до 5 V) и по-рядко с повече захранващи напрежения. Стойностите на това напрежение и малката CR обуславят и малки стойности на консумираната мощност, която рядко надхвърля няколко mW. Съществуват и изключения с CR до няколко Msps, с паралелен интерфейс и мощност до около 1 W.
Голяма част от DSADC правят изключение от принципа на аналоговоцифровото преобразуване честотата на квантуване на входното напрежение да е fs = 2fH, където fH е най-високата честота в спектъра на входното напрежение. Изключението се нарича Oversampling и се състои в работата с fs = 2fH x OSR, като OSR е цяло число над 1 с наименование Oversampling Ratio.
Благодарение на него и задължителния нискочестотен цифров филтър се намалява шумът от квантуване (Quantisation Noise). При fs = 2fH той е разположен приблизително равномерно в честотна лента от 0 до fH, а при fs = 2fH x OSR - в лента до fH x OSR. Поради това при oversampling филтърът отрязва по-голямата част от шума, параметрите SNR и SINAD се увеличават и с това нараства възможността за получаване на повече разреди. Така за увеличаване на разредността с Dn е необходим OSR = 22n.
Съществуват DSADC с програмируема стойност на OSR и съответно на fs. Те позволяват за всяко конкретно приложение да се прави най-добрият компромис между бързо преобразуване (голяма fs) и работа с малки входни напрежения (малък шум). Допълнително и по-ефективно увеличаване на SNR и разредността се постига чрез интегратора, също задължителен блок в схемата на всеки DSADC. И накрая, неизбежните смущения с мрежова честота рязко се намаляват от филтъра. Специфична особеност на DSADC е, че вместо SNR и SINAD като параметър се предпочита UoN.
Основните приложения на DSADC са индустриални измервания (температура, налягане, тегло и т.н.), включително като част от интелигентни сензори и за предаване на данните по линия, в апаратури с батерийно захранване, цифрови мултиметри и др.
В табл. 2 са дадени основните параметри на най-новите DSADC.
Специфичната стойност на CR на AD7788 e избрана, за да се осигури едновременното подтискане на смущенията с честота 50 и 60 Hz. Друга особеност е възможността за работа с тактови импулси със сравнително полегати фронтове (например от изхода на дълга линия или оптрон). В AD7798 могат да се програмират 15 стойности на CR, което заедно с 8-те (между 20 и 27) също програмируеми стойности на коефициента на усилване на вградения в ИС измервателен усилвател осигуряват споменатия компромис между бързина на преобразуването и малко входно напрежение.
В AD7760 се съчетават голяма разредност и значителна CR, а стойността на OSR може да се програмира между 8 и 256. Паралелният изход е с 8 извода и на него числото се получава байт по байт.
За осигуряване на сравнително бързо преобразуване компанията Linear Technologies използва патентован метод с наименование No Latency. Той се състои в установяване на числото на изхода на цифровия филтър само за един такт. От този тип е LTC2498, чието входно стъпало осигурява работа с високоомни източници на сигнал и напрежения до захранващите. Това, заедно с вградената температурна компенсация, прави ИС особено подходяща за непосредствено свързване към сензори.
Много практически случаи изискват точно определено усилване на напрежението преди преобразуването му. Твърде удобно това се постига чрез LTC2442 чрез двата му вградени операционни усилвателя и външни резистори. Особеност е формaта на изходното число - към неговите 24 разреда са прибавени още 8, показващи режима на работа на АЦП по време на преобразуването.
При използването на DSADC в измервателни уреди, например 6- и повече разредни цифрови мултиметри, е добре да се получава логическо ниво на определен изход при входно напрежение извън избрания обхват. Това се осигурява от МАХ111, който освен 14-те си разреда за входното напрежение има още един за неговата полярност и един за напрежение извън обхвата.
Всеки АЦП има някакъв дрейф на изходното си напрежение и един от ефективните способи за неговото намаляване е чрез периодично калибриране. В МАХ1401 то се прави само при необходимост чрез външна схема, за която са предвидени два входа. Освен това ИС съдържа входни буфери и програмируем усилвател (стойности на усилването от 20 до 27). Програмира се и fs - 8 стойности между 16 и 302,5 kHz.
Подобен, но с вграден блок за самокалибровка и много малък шум, е МХ7705, особено подходящ за усилване на малки напрежения от сензори с батерийно захранване.
Външното опорно напрежение (между 0,1 V и захранващото напрежение) на МСР3550-50 позволява задаване на FS в много широки граници, а автоматичното самокалибриране на всяка стъпка осигурява реалното получаване на 22 разреда. Специфично предимство е вграденият блок за контрол на захранващото напрежение, който позволява работа на ИС при негови стойности само над 2,2 V.
Специално за индустриални приложения е CS5516, предназначен за напрежения от мостови схеми, който има коефициент на подтискане на синфазните сигнали над 200 dB. Този DSADC съдържа програмируем усилвател, а опорното му напрежение се подава отвън. Само за индустриални приложения е и CS5504, който може да се програмира за преобразуване на еднополярни положителни и двуполярни напрежения. Неговата система за самокалибровка съдържа микроконтролер и статична RAM, аналоговата му част се захранва с ±5 V, а цифровата - с напрежение между +3,15 и +5,5 V.
За преобразуване с нищожни нелинейни изкривявания на напрежения с голям динамичен обхват понякога се използват DSADC, състоящи се от две ИС. Пример са CS5321, която осъществява преобразуването и CS5322, представляваща филтъра. Резултатът е динамичен обхват 130 dB, OSR между 64 и 4096 и възможност за програмиране на граничната честота на филтъра между 25 Hz и 1650 kHz.
Стъпални АЦП
(Pipeline ADC) PADC
Голямото разпространение на тези АЦП се дължи на възможността да осигуряват голямо бързодействие при приемлива постояннотокова консумация. Разредността им е между 8 и 14. С малки изключения изходите им са паралелни, като в двойните PADC могат да са самостоятелни за всеки АЦП или да е един с превключване чрез мултиплексор. Почти като правило всички PADC могат да бъдат изключване чрез специален вход.
В табл. 3 са основните параметри на няколко съвременни PADC. С едно изключение всички имат диференциални входове и с две изключения - паралелни изходи. Те работят с 1 до 3 положителни напрежения - за аналоговата част, за цифровата част и за изходните блокове, които в зависимост от конкретната ИС са между 1,8 и 3,6 V. Например TDA9917 e с 3 захранващи напрежения. Подобно на други типове АЦП съществуват ИС с няколко PADC. Сред тях е двойният МАХ1193 с две захранващи напрежения и вграден мултиплексор на изходната шина с трето състояние.
Специфичен е тройният TDA8754, предназначен за цветовите канали на видеоапаратури. Четири еднакви PADC се съдържат в AD9287, всеки от които с по два последователни изхода. Захранването му е с едно напрежение +1,8 V.
Двойният МАХ1180 също е с едно захранване, но +3,3 V. Всеки от неговите PADC има собствен паралелен изход с трето състояние и два формaта на числото - двоичен и код с допълнение до 2 (Two’s Complement). При необходимост от малка консумация може да се използва двойният МАХ1186 с една изходна шина и мултиплексор.
Представител на сравнително редките 11-разредни АЦП е AD5510, захранван с +3,3 V и реализиран като CMOS схема с използване на превключващи капацитети. Изходните му числа са както в предния PADC.
Единичният LTC2242-12 използва +2,5 V за захранване на аналоговата си част и напрежение между +0,5 и +2,625 V за цифровата. Последното позволява свързване на изходите дори към очакваните да се появят на пазара CMOS цифрови схеми. Особеност е, че постояннотоковата консумация е по-голяма при LVDS изходни логически нива.
Двоен е ADS5231, който се захранва с две напрежения по +3,3 V. Той е с отделни изводи за всеки АЦП и по един извод за индикация на входно напрежение над максималното (Over-Range Indicator). Специфична е ИС МАХ1436В, съдържаща осем 12-разредни и захранвана с едно напрежение +1,8 V.
Сред PADC с най-много разреди е единичният AD9254 със захранване на аналоговата част с +1,8 V и на цифровата с +1,8 ё +3,6 V. Три са форматите на изходното му число - двоичен, код с допълнение до 2 и код на Грей. Всеки от PADC в двойния LTC2285 е с отделен изход, а захранването е с +3 V за аналоговата част и с +0,5 ё+3,6 V за цифровата част.
Аудио АЦП
(Audio ADC) AADC
Наименованието им показва тяхното предназначение за преобразуване на звукови сигнали. Всички съвременни разновидности са DSADC, като най-голямата част са 24-разредни, но има 16- и 20-разредни. Съдържат два еднакви канала (Stereo ADC) и обикновено работят чрез oversampling. Често имат по един програмируем усилвател във всеки от каналите. Специфични изисквания към тях са да имат малки стойности на DNL и INL, голям динамичен обхват и нищожни нелинейни изкривявания на аналоговата част.
Според честотата на квантуване се разделят на 3 категории. Първата са за обикновени битови апаратури с fs = 48 kHz, типичен пример за каквато е АК5366VR на фирмата АКМ. Двата й канала са с 5-входов мултиплексор и усилвател с програмируемо усилване между 0 и +18 dB със стъпка 0,5 dB. Втората категория са за висококачествени апаратури, при които fs = 96 kHz. В тази категория е АК5381 на същата фирма, чиято fs може да се установява между 4 и 96 kHz. И накрая са AADC за професионални апаратури, изискващи fs = 192 kHz. Сред тях е АК5394 с fs програмируема между 1 и 216 kHz.
Вижте още от Електроника
Новият брой 5/2024
