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

Wpływ szumu napięcia odniesienia na efektywną rozdzielczość ADC typu sigma-delta

ghost666 19 Mar 2016 15:42 1920 0
  • Czy zdarzyło Wam się kiedyś, podczas badania poziomu szumu w przetworniku analogowo-cyfrowym (ADC) dojść do wniosku, że jego parametry są istotnie gorsze niż te w karcie katalogowej? Osiąganie wysokiej rozdzielczości i precyzji w systemach akwizycji danych wymaga zrozumienia działania całego toru analogowo-cyfrowego i tego skąd bierze się w nim szum. Warto też pamiętać, że dane zawarte w karcie katalogowej układu ADC dotyczą szumów samego układu i tego, jak szumy innych składowych toru pomiarowego mają wpływ na jego działanie, ale nie specyfikują w żaden sposób finalnego poziomu szumów w systemie - konieczne jest uwzględnienie wszystkich składowych systemu. Jednymi z przykładów takiego wpływu są szumy pochodzące z zasilania, które omawiane były już w innym artykule. W poniższym tekście skupimy się na wpływie szumów w napięciu odniesienia na precyzję działania i szum wyjściowy przetwornika ADC typu delta-sigma.

    Mierzyć poziom szumu DC dla przetwornika ADC można z wejściem dodatnim i ujemnym zwartymi do napięcia w połowie zakresu pomiędzy napięciami zasilania - jak pokazano to na rysunku 1. Mierząc poziom szumu w takich warunkach wyjście ADC jest niemalże odporne na zmiany napięcia odniesienia, szum w napięciu odniesienia czy szum wejściowy. Tego rodzaju test to scenariusz idealny i daleki od praktycznej aplikacji, ale pozwala na dosyć dobre opisane szumu samego ADC odizolowanego od zewnętrznych źródeł szumu.

    Wpływ szumu napięcia odniesienia na efektywną rozdzielczość ADC typu sigma-delta
    Rys.1. Konfiguracja w której najczęściej dokonuje się pomiaru szumu przetwornika ADC.


    Konfigurację pokazaną powyżej wykorzystać możemy także do sprawdzania naszego układu w gotowym systemie. Aby ułatwić sobie testy szumów w systemie, możemy zewrzeć wejścia do napięcia w połowie skali i zbadać poziom szumu izolowanego przetwornika ADC, zanim przejdziemy do badania pozostałych źródeł szumu.

    Jak szum w napięciu referencyjnym przetwornika ADC wpływa na poziom szumu w układzie

    Opisywany efekt związany jest z zasadniczą zasadą działania przetwornika analogowo-cyfrowego - na wyjściu otrzymujemy kody cyfrowe będące proporcjonalne do stosunku napięcia wejściowego do napięcia odniesienia. I oba sygnały - napięcie wejściowe Vwej i napięcie odniesienia Vref - niosą w sobie pewien poziom szumu jak opisano w równaniu 1 poniżej.

    $$Kod wyjściowy z ADC \propto \frac {V_{wej}}{V_{ref}} \propto {V_{wej}+N_{wej}} {V_{ref}+N_{ref}}$$






    Wpływ poziomu szumu napięcia wejściowego na wynik konwersji przetwornika jest dosyć łatwy do zrozumienia, patrząc na powyższe równanie. Szum, który pojawi się na wejściu ADC i nie zostanie odfiltrowany - czy to z pomocą zewnętrznego filtra RC, czy cyfrowego filtra w przetworniku delta-sigma - będzie bezpośrednio widoczny w wyjściu cyfrowym, jako że Nwej ma bezpośrednie przełożenie na wartość, jaką widzimy na wyjściu cyfrowym.

    Wpływ szumu w napięciu odniesienia - Nref - a wyjście ADC nie jest już tak prosty do zrozumienia, ponieważ Nref znajduje się w mianowniku równania 1. Gdy napięcie wejściowe równe jest zero - wejścia są zwarte - wartość na wyjściu ADC zawsze będzie równa zero, ponieważ Nref nie będzie miał wpływu na stosunek, gdy licznik równy będzie zero. Z kolei, gdy licznik będzie zbliżał się do wartości mianownika, to wartość dodawana do mianownika będzie zmieniała wartość wyjściową w sposób istotny. Rysunek 2 pokazuje, w jaki sposób poziom szumu Nref i Nwej będą miały wpływ na szum na wyjściu z ADC w funkcji napięcia wejściowego podawanego na przetwornik.

    Wpływ szumu napięcia odniesienia na efektywną rozdzielczość ADC typu sigma-delta
    Rys.2. Szum wyjściowy z ADC, wynikający z szumów Nwej i Nref w funkcji napięcia podawanego na przetwornik


    Obliczając szum wyjściowy z przetwornika ADC wkład od napięcia odniesienia dodaje się jako pierwiastek z sumy kwadratów. Wynikowy poziom szumu systemu w danej sytuacji jest zależny od napięcia wejściowego - im dalsze od napięcia środka skali, tym wpływ szumu napięcia odniesienia większy. To, co jest istotne na rysunku 2 to:

    * Punkt A, w którym mierzony jest poziom szumu na potrzeby karty katalogowej, tj. przy zwartych wejściach ADC.
    * Punkt B, czyli maksymalny poziom szumu ograniczony pasmem wejściowym, zazwyczaj cyfrowym filtrem w strukturze ADC.

    Poziom szumu w punkcie B wyznaczyć można, jeśli znamy gęstość spektralną i pasmo szumu wybranego źródła napięcia odniesienia. Wypadkowy szum obserwowany na wyjściu ADC zależny jest od zakresu napięć wejściowych ADC. Zamiast wyznaczania tego szumu możliwe jest jego zmierzenie - wystarczy na wejście ADC podać napięcie maksymalne lub minimalne z dozwolonego zakresu napięć wejściowych.

    Jak dobrać stabilizator napięcia odniesienia

    Niskoszumne źródło napięcia referencyjnego dla przetwornika ADC jest kluczowym elementem toru pomiarowego, w którym mamy zamiar uzyskać dobre parametry - niski poziom szumu i wysoką rozdzielczość pomiary. Wymagania co do poziomu szumów napięcia odniesienia zależne będą od wymagań, jakie stawiane są całemu torowi pomiarowemu, jeśli chodzi o maksymalny poziom szumu, pasmo pracy, częstotliwość próbkowania etc. Na przykład, jeśli wykorzystany jest ADC z niewielką częstotliwością próbkowania, to wąskie pasmo ogranicza szum napięcia odniesienia, jaki przenika do sygnału. Podobnie ma się sytuacja gdy ograniczone są napięcia wejściowe - niewielka amplituda napięcia wejściowego ogranicza poziom szumu na wyjściu ADC.

    Wiele przetworników delta-sigma posiada zintegrowane stabilizatory napięcia odniesienia, których parametry są dostateczne do większości aplikacji. Dla tych bardziej wymagających systemów dostępne jest wiele stabilizatorów napięcia referencyjnego dla ADC, które mogą poprawić działanie toru pomiarowego w zakresie najwyższych i najniższych napięć wejściowych. Zewnętrzne precyzyjne napięcia odniesienia pomagają w kwestii poprawy poziomu szumów w systemie, ale zwiększają zużycie mocy w systemie. Na rysunku 3 zaprezentowano porównanie szumów w układzie ADS1259 ze zintegrowanym napięciem odniesienia i wykorzystującym zewnętrzne - potencjometryczne w postaci dzielnika napięcia i scalone w postaci układu REF5025.

    Wpływ szumu napięcia odniesienia na efektywną rozdzielczość ADC typu sigma-delta
    Rys.3. Poziom szumu wyjściowego ADS1259 z wewnętrznym stabilizatorem napięcia odniesienia, zewnętrznym scalonym i potencjometrycznym.


    Systemy z zewnętrznym napięciem odniesienia osiągają lepsze parametry niż rozwiązania scalone. Jeszcze lepsze są systemy wykorzystujące dzielnik napięcia - tego samego napięcia, jakie wykorzystywane jest do wzbudzania układu pomiarowego - dzięki wykorzystaniu tego samego napięcia do wzbudzenia układu i zadania napięcia referencyjnego dla ADC, oba czynniki szumowe w równaniu 1 znoszą się nawzajem.

    Zatem pamiętajcie, gdy następnym razem będziecie wyznaczać poziom szumu w układzie ADC, aby uwzględnić szum pochodzący z otaczających go układów - zasilania i napięcia odniesienia. Warto także w precyzyjniejszych układach, gdzie występuje napięcie wzbudzenia sensora, wykorzystać je wraz z potencjometrem do stabilizacji napięcia odniesienia dla przetwornika analogowo-cyfrowego w torze pomiarowym.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/12/11/the-impact-of-voltage-reference-noise-on-delta-sigma-adc-resolution?sp_rid_pod4=MTE1NzI4MjQxODEyS0&sp_mid_pod4=50565015&detailID=13673852


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day