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

Jaką architekturę przetwornika ADC o wysokiej dynamice wybrać?

ghost666 22 Wrz 2014 10:54 2661 1
  • Witam w kolejnej odsłonie cyklu 'Rzadko Zadawanych Pytań', w dzisiejszej odsłonie - porównanie architektur przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) - Sukcesywnej Aproksymacji (SAR) i sigma-delta (∑-Δ).

    Jaką architekturę przetwornika ADC o wysokiej dynamice wybrać?


    Pytanie: W mojej aplikacji, związanej z obrazowaniem medycznym, potrzebuję przetwornik analogowo-cyfrowy o zakresie dynamiki wynoszącym 100 dB. Czy możecie pomóc mi z wyborem odpowiedniej architektury ADC pomiędzy przetwornikami o sukcesywnej aproksymacji a przetwornikami typu sigma-delta.

    Odpowiedź: Zaawansowane systemy akwizycji danych, wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych, pomiarowych czy w aparaturze medycznej, wymagają przetworników ADC o dużej dynamice i wysokiej precyzji. Zakres dynamiki przetwornika analogowo-cyfrowego zwiększyć można poprzez dodanie wzmacniacza o programowalnym wzmocnieniu przed wejściem przetwornika lub wykorzystując kilka układów ADC równolegle i następnie, na etapie cyfrowego przetwarzania danych, uśredniać ich wyniki. Niestety te metody często uznawane są za niepraktyczne z uwagi na, na przykład, zwiększenie poboru mocy przez system, zajmowanie na płytce drukowanej większej powierzchni lub też z uwagi na zwiększenie kosztów. Oversampling z kolei jest metodą która pozwala na zapewnienie większego zakresu dynamiki przy niskim koszcie, jednocześnie nie zwiększając miejsca zajmowanego na PCB, konieczności dyssypacji większej ilości mocy czy poboru prądu przez system.

    Oversampling to technika w której próbkuje się sygnał wejściowy do przetwornika ADC z częstotliwością o wiele większą niż częstotliwość Nyquista (równa podwojonej częstotliwości granicznej interesującego nas pasma). Pozwala to na zwiększenie stosunku sygnału do szumu (SNR) oraz efektywnej liczby bitów przetwornika analogowo cyfrowego (ENOB). Podczas oversamplingu szum kwantyzacji wartości analogowych jest przesunięty tak iż najczęściej, jest ulokowany spektralnie poza interesującym nas pasmem częstotliwości, co powoduje zwiększenie zakresu dynamiki dla niskich częstotliwości. Z kolei szum który znajduje się poza interesującym nas pasmem może zostać wyeliminowany z wykorzystaniem cyfrowej obróbki sygnału po akwizycji danych, tak jak pokazano to na poniższej ilustracji. Współczynnik oversamplingu - OSR - to częstotliwość próbkowania w systemie podzielona przez częstotliwość Nyquista, jaką założył projektant. Poprawa zakresu dynamicznego obserwowana w systemie (ΔDR) z uwagi na oversampling wynosi ΔDR = log2 (OSR) x 3 [dB]. Na przykład czterokrotny oversampling - OSR = 4 - powoduje zwiększenie zakresu dynamiki o 6 dB, co oznacza zwiększenie efektywnej liczby bitów (ENOB) o jeden.





    Jaką architekturę przetwornika ADC o wysokiej dynamice wybrać?


    Technika oversamplingu jest nieodłącznie wbudowana w większość przetworników sigma-delta (Σ-Δ) i zintegrowana z odpowiednimi filtrami cyfrowymi. Zegar modulatora w takim układzie ADC próbkuje zazwyczaj 32..256 raza szybciej niż pasmo sygnału digitalizowanego przez przetwornik. Jednakże przetworniki tego typu mają ograniczone stosowanie w aplikacjach wymagających szybkiego przełączania kanałów wejściowych. Z kolei przetworniki o sukcesywnej aproksymacji (SAR) nie mają problemów z przełączaniem kanałów przetwarzania, nie wprowadzając w ten sposób istotnych opóźnień w systemie, co pozwala na stosowanie ich w pętlach kontrolnych o dużej prędkości, które wymagają szybkiego przełączania kanałów. Dodatkowo, bardzo często duża prędkość próbkowania, którą można zrealizować na przetwornikach SAR ADC umożliwia wykorzystanie oversamplingu.

    Jakkolwiek przetworniki analogowo-cyfrowe zbudowane w obu topologiach są w stanie precyzyjnie mierzyć sygnały o niskiej częstotliwości to konsumpcja prądu przez przetworniki o sukcesywnej aproksymacji skaluje się wraz z zwiększaniem częstotliwości próbkowania, co powoduje redukcje zużycia prądu co co najmniej 50% w porównaniu do przetworników ADC Σ-Δ o podobnych parametrach, gdyż przetworniki sigma-delta zazwyczaj zużywają stałą ilość prądu, niezależnie od przepustowości. Przykładem układu SAR ADC o takiej charakterystyce może być produkowany przez Analog Devices AD7960 - jest to 18 bitowy przetwornik o maksymalnej prędkości próbkowania wynoszącej 5 MSPS. Jego zużycie prądu skaluje się liniowo wraz z częstotliwością próbkowania.

    Filtr dolnoprzepustowy umiejscowiony na wejściu przetwornika ADC SAR zmniejsza aliasing i ogranicza poziom szumu w sygnale poprzez ograniczanie pasma wejściowego. Wysoki współczynnik oversamplingu w przetwornikach sigma-delta minimalizuje wymagania co do filtrów w torze analogowym, mających ograniczyć aliasing, a sam oversampling znacznie ogranicza całkowity poziom szumów w sygnale. Dla dodania aplikacji elastyczności można wprowadzić w systemie dodatkowe filtry, realizowane cyfrowo z wykorzystaniem układu logiki programowalnej (FPGA).

    Niski poziom szumów i wysoka liniowość zaawansowanych układów ADC o sukcesywnej aproksymacji pozwala na zwiększenie pasma oraz precyzji pomiaru, jednocześnie dyskretne próbkowanie sygnału i małe okienka czasowe pozwalają na stosowanie układów tego typu w szybkich systemach kontrolno-pomiarowych. Wysoka częstotliwość próbkowania tych przetworników, wraz z niskim poborem prądu i niewielkimi rozmiarami zajmowanymi na płytce drukowanej, ułatwiają projektantom systemów spełnić wymagania co do wielkości układu, ilości rozpraszanego ciepła i innych kluczowych parametrów projektowania zaawansowanych układów wielokanałowej akwizycji sygnału. Przetworniki analogowo-cyfrowe SAR, z uwagi na swoją budowę, oferują najniższy poziom szumu wyznaczany w odniesieniu do pełnego zakresu wyjścia, co oznacza niezwykle wysoki SNR i doskonałą liniowość tych układów. Jednakże nie są one w stanie odrzucać szumu 1/f w zakresie niskich częstotliwości, gdzie filtrowania zakłóceń sieciowych (50/60 Hz) jest sporym wyzwaniem. Z wyzwaniem tym z kolei dobrze radzą sobie przetworniki w topologii sigma-delta.

    Przetworniki konstruowane w obu topologiach mają swoje wady i zalety. Projektant systemu akwizycji danych musi sam zadecydować jakie parametry są dla niego najistotniejsze i rozważyć wszystkie podstawowe kryteria - parametry elektryczne, szybkość próbkowania, zajmowana na PCB powierzchnia, zużycie prądu oraz koszt układu.

    Źródło:

    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-09/RAQ_109.html


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 23 Wrz 2014 08:54
    OldSkull
    Poziom 27  

    Warto tylko dodać, że jeśli przełączamy kanały (czyli mamy np. multipleksowany SAR) to stosując Oversampling mamy 2 opcje:
    - zbieramy OSR próbek z kanału 1, potem OSR z kanału 2 itd.
    - zbieramy 1 próbkę z kanału 1, 1 z kanału 2, itd. aż będziemy mieć OSR z każdego
    Wyborem projektanta/programisty jest czy będzie stosował długi bufor (czyli mamy próbkę co próbkę, ale uśrednioną z ostatnich OSR próbek - oraz bufor kołowy)) czy krótki (dodajemy do bufora, zliczamy liczbę i jak mamy OSR to sumę traktujemy jako próbkę a bufor czyścimy).
    W pierwszej opcji układ powinien działać w prawie każdym układzie, byle tylko na początku dać się przeładować pojemnościom wejściowym. Problem jest taki, że próbki z poszczególnych kanałów otrzymujemy z dużym przesunięciem czasowym, co w niektóych zastosowaniach może być nieakceptowalne.
    W drugim rozwiązaniu przesunięcie pomiędzy kanałami może być niewielkie (OSR razy mniejsze niż powyżej), ale dużym problemem jest pojemność wejściowa, która wcale nie musi być mała. W takim wypadku trzeba uwzględnić zmniejszenie impedancji wejściowej lub dodanie wtórnika napięcia (który zmniejszy impedancję widzianą przez ADC, ale nie zmniejszy - a możę nawet pozwoli na zwiększenie - tej widzianej przez wejście).
    Wielka szkoda, ze tego nie poruszyli a jedynie liznęli temat.

  Szukaj w 5mln produktów