Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Szumy w przetwornikach Analogowo-Cyfrowych, część I

ghost666 24 Lut 2014 15:48 3846 4
  • Wpis ten otwiera cykl artykułów autorstwa Jonathana Harrisa dotyczący zagadnieniu szumów w układach konwersji analogowo-cyfrowej. Autor cyklu jest inżynierem aplikacyjnym i pracuje w firmie Analog Devies. Zainteresowanie szczegółowym omówieniem tego tematu pojawiło się gdy jego autor spotkał się z falą komentarzy po omówieniu uproszczonego modelu wnikania zakłóceń do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Okazuje się iż zagadnienie to jest niezwykle interesujące i kompleksowe.

    Jak opisano to poprzednio podczas rozważań dotyczących szumów przetwornikach ADC możemy zamodelować przetwornik jako mikser. Jeśli szum wchodzi do układu przetwornika jakąkolwiek drogą to na pewno zamanifestuje się na wyjściu cyfrowym, po wykonaniu transformaty Fouriera sygnału. Spójrzmy na umieszczony poniżej model przetwornika ADC zaznaczonymi drogami wnikania szumu do przetwornika. Obrazek ten to uzupełniony o szereg dodatkowych dróg wnikania zakłóceń oryginalny schemat który wywołał opisywane poruszenie.

    Schemat na poniższej ilustracji pokazuje wszystkie drogi wnikania szumu do przetwornika ADC. Na schemacie zaznaczono znane z podstawowych rozważań drogi, takie jak linie zasilania, wejścia analogowe oraz zegar taktujący układ. Dodatkowo, pamiętać musimy, iż zakłócenia mogą dostać się do analizowanego układu kilkoma innymi drogami. Pierwszą z nich jest napięcie współbieżne (Vcm) różnicowych wejść analogowych przetwornika ADC. Kolejnym źródłem szumu mogą być wejścia i wyjścia interfejsu cyfrowego układu. Ostatnią z opisywanych dróg wnikania szumu, bardzo często przeoczanych, jest masa układu.

    Szumy w przetwornikach Analogowo-Cyfrowych, część I


    Jako że 'szum' to całkiem mało ścisły termin, skupmy się w pierwszej kolejności na zdefiniowaniu czym w zasadzie jest szum w omawianym układzie i skąd się bierze.

    Linie zasilania przetwornika analogowo-cyfrowego umożliwiają wniknięcie szumu do przetwornika, co powoduje iż sygnał zakłócający widoczny jest w widmie sygnału cyfrowego. W tym przypadku istnieje kilka metod na zbadanie poziomu szumów oraz ocenę wpływu zniekształceń dostających się tą drogą na jakość sygnału wyjściowego. Przetwornik ADC powinie być zaprojektowany w taki sposób aby układ tłumił zakłócenia dostające się doń poprzez linie zasilania. Ocena wpływu zakłóceń pochodzących z linii zasilania na pracę układu skupia się na pomiarze dwóch parametrów - PSRR i PSMR. PSRR jest to tłumienie wpływu zasilania (ang. Power Supply Rejection Rate) i mówi o tym na ile badany układ tłumi zniekształcenia pochodzące z linii zasilania. PSMR to współczynnik modulacji (ang. Power Supply Modulation Rate). W dalszej części cyklu odnajdziemy definicję tych współczynników oraz bardziej detaliczny ich opis.





    W następnej kolejności spójrzmy wejścia analogowe analizowanego przetwornika. Z naszego punktu widzenia rozważać musimy szum dwojako. Po pierwsze jest pewien poziom szerokopasmowego szumu wnikającego poprzez wejście analogowe, a pochodzącego z komponentów elektronicznych poprzedzających przetwornik w torze pomiarowym. Możliwe jest takie dobranie układów tworzących analogową część toru pomiarowego i driver przetwornika iż poziom szumu na wejściu do przetwornika będzie minimalny. Jednakże nawet w takiej, zoptymalizowanej sytuacji do przetwornika wnika pewna skończona ilość zniekształceń. W celu walki z tym zjawiskiem stosuje się filtry anty-aliasingowe na wejściu przetwornika analogowo-cyfrowego. Pozwala to na odfiltrowanie dużej części szerokopasmowego szumu, który inaczej wniknąłby do przetwornika. Pozwala to wyraźnie poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR) na wyjściu cyfrowym układu.

    Z drugiej strony pamiętać należy iż w sygnale pojawiać się mogą harmoniczne oraz sygnały rzekome, które wniknąć mogą do przetwornika. Filtr anty-aliasingowy pozwala także na usunięcie ich z sygnału wejściowego, co pozwala na poprawę zakresu dynamicznego ADC w którym nie powstają sygnały rzekome (SFDR). Pamiętać trzeba oczywiście o odpowiednio dobranym projekcie filtra, z którego korzystamy w naszej aplikacji co pozwoli nam na poprawę i SNR i SFDR projektowanego układu. Parametrom SNR i SFDR zostanie poświęcony jeden z kolejnych artykułów cyklu.

    Kolejną drogą wnikania zakłóceń do przetwornika ADC jest sygnał zegarowy, taktujący działanie części cyfrowej układu. To wejście, podobnie jak wejście analogowe, umożliwia wnikanie tak szerokopasmowego szumu jak i zakłóceń harmonicznych. Wszystkie niepożądane sygnały wnikające tą drogą widoczne będą na widmie sygnału wyjściowego. Koniecznym jest odpowiednie dobranie drivera sygnału zegarowego, tak aby zapewnić dla przetwornika ADC sygnał taktujący pozbawiony zakłóceń i charakteryzujący się niskim szumem fazowym (jitterem).

    Sygnał taktujący przetwornik analogowo-cyfrowy powinien być podłączony w taki sposób aby zminimalizować sprzęganie się sygnału zegarowego z źródłami szumu w układzie. Podobnie jak w przypadku wejścia analogowe można zastosować tutaj odpowiednio dobrany filtr, który pozwala na zmniejszenie poziomu szumów w sygnale zegarowym i zredukowanie szumu szerokopasmowego jak zakłóceń harmonicznych. Niepożądane składowe wnikające poprzez sygnał zegarowy do układu mają wpływ na parametry SNR i SFDR przetwornika ADC, podobnie jak w przypadku wejścia analogowego układu.

    Napięcie współbieżne różnicowego wejścia analogowego przetwornika ADC także może zwiększać poziom szumów w systemie. W dzisiejszych czasach często wykorzystuje się przetworniki analogowo-cyfrowe wyposażone w wejście różnicowe z możliwością podania napięcia współbieżnego dla obu linii sygnału różnicowego. Jest to środkowe napięcie pomiędzy minimalnym a maksymalnym zakresem wejściowym przetwornika ADC. Bardzo często do wejścia tego podłącza się kondensator filtrujący o pojemności około 100 nF. Zapewnia to dominujący biegun w wykresie stabilności wyjścia a także pozwala jednocześnie na odfiltrowanie szumu o wysokiej częstotliwości. Kluczowym jest zapewnienie odpowiedniego odsprzęgania tego wejścia, gdyż wejście to wprowadza szum bezpośrednio do analogowego sygnału wejściowego.

    Dodatkowo, oprócz kondensatora, w wielu przetwornikach ADC z dwoma lub więcej kanałami wejściowymi konieczne jest dodanie pewnej niezerowej rezystancji pomiędzy napięciem współbieżnym a pinem Vcm w przetworniku dla każdego z kanałów. Jest to także forma redukcji poziomu szumów gdyż pozwala na zwiększenie izolacji pomiędzy kanałami ADC i zmniejsz przesłuch pomiędzy nimi. Innymi słowy wstawianie oporników w tor sygnałowy w aplikacji z wielokanałowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym pozwala na poprawę separacji kanałów przetwarzania między sobą gdyż zwiększa tłumienie przesłuchu pomiędzy poszczególnymi kanałami.

    Podczas projektowania systemu z przetwornikiem analogowo-cyfrowym rozważyć musimy wszystkie opisane kwestie. Musimy traktować przetwornik ADC jako mikser, sumujący szum z różnych źródeł i przekazujący je na wyjście cyfrowe. Suma szumów wnikających różnymi drogami do analizowanego układu uwidacznia się w pełni podczas analizy spektralnej sygnału wyjściowego. Oczywiście każdy projektant takiego systemu chciałby na wyjściu cyfrowym mieć do czynienia tylko z pożądanym sygnałem, bez żadnych zakłóceń. Aby tak było musimy dołożyć szczególnej troski w celu zminimalizowania wnikania szumu z każdego z tych źródeł. W dalszej części cyklu zostanie to precyzyjnie omówione.

    W kolejnej części cyklu skupimy się na omówieniu w jaki sposób szum wnikać może przez cyfrowe linie wejścia/wyjścia (wliczając w to interfejs SPI) oraz skupimy się na podłączeniu masy do przetwornika analogowo-cyfrowego w sposób zapewniający możliwie niski poziom szumów wnikających do układu z masy.
    Źródła:
    http://www.planetanalog.com/author.asp?section_id=3041&doc_id=561586
    http://www.planetanalog.com/author.asp?section_id=3041&doc_id=561866


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 10 Mar 2014 13:41
    Janusz_kk
    Poziom 16  

    Witam
    Widzę że nie ma chętnych, to ja się wychylę i podziękuję Ci za niesienie kaganka oświaty, widzę że coraz ciekawsze tematy wybierasz, dziękuję za trud i czekam na dalsze tłumaczenia.
    Pozdr
    Janusz

  • #3 10 Mar 2014 13:51
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Dziękuję za miłe słowo :).

    Staram się wybierać ciekawe i zaawansowane tematy. Niestety, tematyka którą staram się tłumaczyć jest często traktowana po macoszemu na polskich uczelniach technicznych, a jak się okazuje jest niezwykle istotna. Zapraszam do śledzenia na bieżąco moich artykułów i postępów w aktualnym cyklu - https://www.elektroda.pl/rtvforum/artykuly.php?u=33377

  • #4 05 Wrz 2016 11:36
    xardes
    Poziom 1  

    Kapitalny artykuł, od kilku miesięcy zajmuje się tym problemem i nie znalazłem tylu przydatnych informacji co w tym tekście. Zachęcam do dalszej pracy! :)

  • #5 05 Wrz 2016 11:41
    winio42
    Poziom 18  

    Ode mnie również podziękowania - przy okazji -mam przyjemność studiować na uczelni technicznej - na szczęście temat był na niej poruszany :)