Вибір аналого-цифрового перетворювача

1. АЦП послідовного наближення - для середніх швидкостей і «фотографування» даних
2. Сигма-дельта-АЦП - для більшої точності
3. Чи потрібен модулятор?
4. Послідовні АЦП проти сигма-дельта: головне - швидкість
5. Конвеєрні АЦП - для надвисокої частоти дискретизації
6. Послідовний інтерфейс JESD204B
7. Енергоспоживання конвеєрних АЦП
8. АЦП, оптимізовані для мікроконтролерів, ПЛІС, ЦПУ і систем-на-кристалі
9. Який вибір найкращий?

Стів Логан (Maxim Integrated)

Велика кількість сучасних аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) ставить розробника перед непростим вибором.

Інтегральні АЦП мають здатністю 8 ... 24 біт і навіть є кілька 32-бітових. Існують АЦП вбудовані в мікроконтролери, ПЛІС, мікропроцесори, системи-на-кристалі, АЦП послідовного наближення (SAR) і сигма-дельта-версії. Конвеєрні АЦП використовуються в тих додатках де потрібно висока швидкість вибірок. Діапазон швидкостей вибірок АЦП лежить в межах від 10 виб / с до понад 10 Гвиб / с. А розкид цін - від менш $ 1 до $ 265 доларів і вище.

Щоб вибрати найкращий АЦП для вашого застосування, розглянемо різні типи цих виробів і оптимальні умови застосування для їх основних типів.

АЦП послідовного наближення - для середніх швидкостей і «фотографування» даних

АЦП послідовного наближення (Successive Approximation Register, SAR) випускаються в широкому діапазоні значень дозволу і швидкості. Перше, як правило, лежить в межах 6 ... 8 до 20 біт, друга ж - від декількох Квиб / с до 10 Мвиб / с. SAR АЦП - хороший вибір для додатків із середнім діапазоном швидкостей, таких як управління електродвигуном, аналіз вібрацій, моніторинг виробничих процесів. Вони не настільки швидкодіючі, як конвеєрні АЦП (які розглядаються далі), але їх швидкодія вище, ніж у сигма-дельта-АЦП (також розглядаються далі).

Діапазон значень розсіюється SAR АЦП безпосередньо пов'язаний з частотою вибірки. Наприклад, мікросхема, розсіює потужність якої складає 5 мВт при швидкості 1 Мвиб / с, при 1 Квиб / с розсіює 1 мкВт. Таким чином, SAR АЦП досить гнучкі в плані застосування і розробник може використовувати одне найменування для багатьох додатків.

Ще одна перевага SAR АЦП: вони роблять «фотографію» аналогового вхідного сигналу. SAR-архітектура виробляє вибірку в конкретний момент часу. Коли розробнику може це знадобитися? Коли вам необхідно виміряти відразу кілька сигналів, ви можете одночасно робити вибірку декількома одноканальними SAR АЦП або здійснювати одночасну вибірку за допомогою мультиканального АЦП або декількох пристроїв вибірки зберігання (ПВЗ, Track-and-hold, T / H-cores) всередині нього. Це дозволить системі вимірювати значення декількох аналогових сигналів в один і той же час.

У струмових трансформаторах і трансформаторах напруги SAR АЦП використовуються в ланцюгах реалізації релейного захисту. З їх допомогою система захисту одночасно вимірює різні фази струму і напруги. У комунальному мережевому господарстві це сприяє більш ефективному управлінню енергомережами.

Сигма-дельта-АЦП - для більшої точності

Якщо вам необхідна підвищена точність за рахунок більш високого рівня семплірованія або максимальне значення ефективної кількості біт (ENOB), найкращим вибором стане сигма-дельта-АЦП, особливо для малошумливих точних додатків. Коли швидкість не така критична, передискретизація і формування шуму в сигма-дельта-АЦП дають дуже високу точність.

Коли 5 ... 10 років тому ринок АЦП послідовного наближення тільки почав насичуватися, багато аналогові компанії інвестували в багатоканальні сигма-дельта-ядра. Сьогоднішній результат цього процесу - дуже якісні АЦП з розрядністю до 24 або 32 біт і частотою дискретизації від 10 виб / с до 10 Мвиб / с.

У яких додатках може знадобитися дозвіл більше 20 біт? Приклад застосувань, в яких стандартно потрібна точність на рівні максимально можливої ​​кількості біт - вимірювальні прилади і паливні хроматографи для нафтової і газової промисловості. А також інші системні застосування, які задають стандарти в оцінці точності аналогових сигналів, застосування, де кінцеві користувачі повинні бути абсолютно впевнені в отриманих даних.

Чи потрібен модулятор?

Новітні сигма-дельта-АЦП стало складно класифікувати в значеннях швидкості і частоти дискретизації. Традиційні сигма-дельта-АЦП здійснювали всю цифрову постобработку всередині себе (в тому числі, за допомогою SINC / відтинають фільтрів, децимації, формування шуму). Після цього дані послідовно видавалися назовні з дуже високим ENOB (Effective Number of Bits - ефективна кількість біт). Наприклад, якщо у вас був 24-бітний АЦП, вихідні дані видавалися в 24-бітному форматі. Перший біт був найбільшим значущим (MSB), а 24-й - найменшим (LSB). Швидкість видачі даних в звичайному випадку дорівнювала системної тактовій частоті, поділеній на 24. Це були не найшвидші і не самі гнучкі АЦП.

В останні 5 ... 10 років більш популярні стали сигма-дельта-модулятори, зокрема - в додатках, що вимагають підвищеної швидкості (часто близько 1 Мвиб / с і більше). Не чекаючи на повній оцифровки 24-бітного виходу, сигма-дельта-модулятор видає потік даних побитово, перекладаючи завдання цифрової фільтрації для подальшого аналізу даних на плечі процесора або ПЛІС.

Ця гнучкість модулятора корисна для таких додатків, як управління електродвигуном, де може цілком вистачити розрядності 12 ... 16 біт. Контролер двигуна може і не потребувати 8 молодших значущих бітах з 24-бітного потоку даних, якщо перші 16 біт забезпечують достатню точність аналогового вимірювання.

Послідовні АЦП проти сигма-дельта: головне - швидкість

Ще одна важлива тема для обговорення - вхідні фільтри. Згадаймо, що послідовна архітектура АЦП дозволяє зробити швидкий кадр. Коли програму слід підвищена частота вибірки, вхідний фільтр стає більш складним. Потім у багатьох випадках для «розкачки» вхідного конденсатора і швидкого гасіння коливань необхідний зовнішній буфер або підсилювач, і цей підсилювач повинен мати достатню смугу пропускання. На малюнку 1 показаний приклад включення 16-бітного послідовного АЦП MAX11166 500 Квиб / с. Чим вище розрядність і більше швидкість дискретизації - тим коротше відрізок часу, необхідний для узгодження входу і коректного зчитування даних.

На малюнку 1 використовуються підсилювач MAX9632 з смугою посилення 55 МГц і простий RC-фільтр. Цей конкретний підсилювач забезпечує шум менше 1 НВ / √Гц, що дає системне дозвіл на рівні 1/10 дБ ефективного біта.

Мал. 1. Вхідний фільтр АЦП послідовного наближення на базі підсилювача MAX9632

У порівнянні з АЦП послідовного наближення, дані з входу сигма-дельта-АЦП зчитуються багато разів, тому вимоги до згладжує фільтру не так критичні. Часто достатньо простого RC-фільтра. На малюнку 2 показаний приклад підключення 24-бітного сигма-дельта АЦП MAX11270 64 Квиб / с. Це - так званий міст Уітстоуна з конденсатором 10 нФ, включеним між диференціальними входами.

Мал. 2. Приклад вхідного фільтра сигма-дельта-АЦП MAX11270

Конвеєрні АЦП - для надвисокої частоти дискретизації

У цій статті ми вже згадали конвеєрні АЦП як затребувані для отримання найбільш високих частот дискретизації, наприклад, в РЧ-додатках і SDR - бездротовому радіо з програмним завданням частоти.

За останні 10 років найбільші виробники аналогових мікросхем активно інвестували в розробку конвеєрних АЦП. Два основних переваги конвеєрних АЦП - швидкість і потужність. З урахуванням частот дискретизації від 10 Мвиб / с до декількох Гвиб / с, найбільш критичним стає вибір для цих виробів інтерфейсів. Очікується «велика битва» навколо цифрових виходів конвеєрних АЦП. В якості основного досі пропонувався паралельний інтерфейс, але і послідовний LVDS-інтерфейс цілком підходить, наприклад, для ультразвукових додатків з великою кількістю каналів і частотою дискретизації в межах 50 ... 65 Мвиб / с. Однак вже існують нові типи інтерфейсів.

Послідовний інтерфейс JESD204B

JESD204B - це високошвидкісний послідовний інтерфейс з передачею даних до 12,5 Гбіт / с. Виникнувши порівняно недавно, він дозволив виробникам АЦП значно підвищити частоти дискретизації, а за ними підтяглися виробники процесорів і ПЛІС зі своїми послідовними прийомопередавачами.

У багатоканальному додатку з декількома паралельно включеними АЦП проблемою є заплутані з'єднання між АЦП і ПЛІС / процесором. При застосуванні інтерфейсу JESD204B число ліній даних значно скорочується, економлячи тим самим простір плати. На малюнку 3 показані одна послідовна вихідна пара і вхід синхронізації цього інтерфейсу, що значно скорочує необхідну кількість контактів для введення-виведення.

Рис.3. Підключення послідовного інтерфейсу JESD204B

Відзначимо, що в останні роки було опубліковано безліч статей про JESD204B, де можна знайти детальну інформацію про роботу інтерфейсу.

Енергоспоживання конвеєрних АЦП

У міру зростання мініатюризації виробів лідируючі виробники АЦП все інтенсивніше борються за скорочення енергоспоживання. Хороші показники - 1 мВт на 1 Мвиб / с. Якщо показники вашого АЦП близькі до цього, то у вас є, від чого відштовхнутися в створенні проекту.

АЦП, оптимізовані для мікроконтролерів, ПЛІС, ЦПУ і систем-на-кристалі

АЦП, вбудовані в мікросхеми, як правило, не самі продуктивні. Спочатку, коли в мікросхему вбудовувався 12-бітний АЦП, передбачалося, що він буде працювати як 8-бітний для отримання гарантованих значень ефективної кількості біт (ENOB) або лінійності. Для забезпечення потрібних характеристик роботи АЦП користувачеві необхідно ретельно вивчити параметри повної специфікації і визначити, які з них повинні мати гарантовані значення. Однак найчастіше проглядалися тільки стандартні характеристики або мінімальні і максимальні значення параметрів з коротких специфікацій.

Останнім часом такі характеристики АЦП як інтегральна нелінійність (INL), диференціальна нелінійність (DNL), помилка посилення і ефективна кількість біт (ENOB) значно покращилися, що дозволило більш активно вбудовувати АЦП в мікроконтролери, і число мікросхем з вбудованими АЦП значно зросла. В даний час, коли програму слід перетворення з роздільною здатністю 12 біт і менш або всього кілька каналів перетворення, найбільш економічним рішенням є мікроконтролер.

Виробники ПЛІС також почали вбудовувати АЦП в свої системи. Наприклад, компанія Xilinx розміщує 12-бітний 1 Мвиб / с АЦП у всіх ПЛІС 7 серії і системах-на-кристалі Zynq. Однак дуже важливим є розташування АЦП на платі. Процесорний модуль з ПЛІС або системою-на-кристалі може перебувати на значній відстані від аналогового входу, який взагалі може розміщуватися на окремій платі, з'єднаної з процесорної платою за допомогою високошвидкісної цифрової шини. Якщо ви не хочете піддавати чутливі аналогові сигнали такого випробування, то вбудоване в процесор або ПЛІС АЦП - не ваш вибір. В цьому випадку вам дійсно знадобиться окремий якісний АЦП. Наприклад, для програмованих логічних контролерів (PLC) це, швидше за все, буде 24-бітний сигма-дельта-АЦП.

Якщо ми заговорили про PLC, слід згадати про такий важливий елемент як ізоляція. Більшість аналогових входів PLC включає кілька форм ізоляції, зазвичай цифровий. Багато модулі з аналоговими входами містять недорогі мікроконтролери для швидких відгуку і переривань. В цьому випадку розташування ізоляції підказує, чи слід застосувати вбудований АЦП. Якщо ізоляція розташована між процесором (або мікро контролером) і шиною, вбудований АЦП підходить. Якщо мікроконтролер потрібно ізолювати від високовольтних вхідних сигналів, тоді найкращим рішенням є інтегральний АЦП і цифровий ізолятор.

Який вибір найкращий?

Ми обговорили кілька характеристик сучасних АЦП. А наскільки важливі швидкість, потужність і точність сигналів, які ви вимірюєте?

Якщо вам необхідна проста зчитування з низьким дозволом для домашнього використання, це зможуть, по всій ймовірності, виконати АЦП, вбудовані в мікроконтролер, ПЛІС, процесор або систему-на-кристалі АЦП. Якщо ваш додаток низькошвидкісне (вхідний аналоговий сигнал близький до постійного струму, наприклад, повільно змінюється сигнал температури), оптимальним вибором є сигма-дельта-АЦП. Якщо сигнал на вході змінюється досить швидко, як у випадку з аналізом вібрацій мотора, що працює зі швидкістю близько 1000 оборотів в хвилину, найкращим варіантом є послідовний (SAR) АЦП. Якщо додаток повинен оцінювати найбільш швидко змінюються аналогові сигнали з існуючих, тоді найкращий вибір - конвеєрний АЦП.

Головна фраза, про яку не варто забувати в процесі вибору АЦП - «це залежить від ...». Якщо ви розробник цифрових схем або експерт за джерелами живлення, спантеличений вибором правильного АЦП - ви вивчите докладні інструкції. АЦП - це складні мікросхеми з безліччю нюансів, що вимагають ретельного вивчення технічного опису та налагоджувальних комплектів. У таблиці 1 наведені мінімальні та максимальні параметри АЦП, доступних на ринку. Це реальна картина сьогоднішнього дня. Хто знає, як вона зміниться в найближчі роки?

Таблиця 1. Стандартний діапазон характеристик АЦП

Тип АЦП / Характеристики Частота дискретизації / швидкість Дозвіл / біт Ціна Потужність АЦП послідовного наближення (SAR) Постійний струм ... 10 Мвиб / с 8 ... 20 Невелика / середня Найменша
в перерахунку на Квиб / с Сигма-дельта-АЦП Постійний струм ... 20 Мвиб / с * 16 ... 32 Невелика / середня Мала / середня Конвеєрний АЦП 10 Мвиб / с ... 5 Гвиб / с 8 ... 16 Найвища Найвища АЦП, вбудований в МК / ПЛІС / РНК Постійний струм ... 1 Мвиб / с 8 ... 16 Найменша Мала / середня

* - швидкість виходу модулятора

•••