Разнообразие аналогово-цифровых преобразователей вырождается?


    Окружающий нас мир с нашей точки зрения является аналоговым, то есть большинство измеряемых нами величин является множеством вещественных чисел в определенном диапазоне значений. В то же время методы обработки таких величин при помощи аналоговых операций оказывается сильно ограничен по функциональности и сложности, а разработанная цифровая обработка сигналов оказывается на много порядков функциональнее, надежнее, компактнее, но оперирует только с цифровыми данными, то есть с данными, дискретными по времени и по мгновенным значениям сигнала. Для преобразования из непрерывного аналогового сигнала в дискретный цифровой используется аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

    Первый АЦП


    Самым первым упоминанием АЦП в истории является патент США 1 608 527 под названием «Facsimile Telegraph System», который был подан 20 июля 1921 года Полом М. Рейни, работником компании Western Electric. Патент был получен спустя 6 лет, 30 ноября 1926 года.

    Рисунок 1 – Патент «Facsimile Telegraph System»

    Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования (flash ADC, direct-conversion ADC). Принцип действия полностью параллельного АЦП прямого преобразования заключается в том, что все параллельные компараторы с напряжением сравнения меньшим, чем уровень входного сигнала переключаются в «1», а все параллельные компараторы с напряжением сравнения бо́льшим, чем уровень входного сигнала остаются в состоянии «0». Шифратор перекодирует полученный двоично кодированный унарный код (Binary Coded Unary, BCU) в код для передачи дальнейшим устройствам.

    Типы существующих АЦП


    1. АЦП параллельного (прямого) преобразования (flash ADC, DC ADC).
    2. АЦП последовательного приближения (SAR ADC).
    3. Интегрирующие АЦП (integrating ADC).
    4. Сигма-дельта АЦП (sigma delta ADC, ΣΔ-ADC).

    Существуют и другие типы АЦП, например, конвейерные и комбинированные, но они узкоспециализированные и широкого распространения не получили.

    АЦП имеет множество характеристик, которые условно можно разделить на статические:

    1. разрешающая способность;
    2. погрешность полной шкалы;
    3. температурную нестабильность;
    4. нелинейность;

    и динамические:

    1. максимальная частота дискретизации;
    2. время преобразования.

    Основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS, конечно, не одновременно. Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь.

    Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.
    На рисунке 2 показан график зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования.

    Рисунок 2 – График зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования

    Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40 MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100 kSPS — 1 MSPS. Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до десятков kSPS. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в измерительных приборах.

    Сигма-дельта АЦП


    На хабре была статья 2011 года, где упоминались разные типы АЦП, но в данной статье смысл совсем другой.

    Структура любого сигма-дельта АЦП содержит сигма-дельта модулятор, который преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность нулей и единиц, и цифровой фильтр-дециматор. Эта последовательность нулей и единиц в иностранной литературе называется PDM (pulse density modulation), что принципиально отличает ее от ШИМ (широтно импульсной модуляции).

    Рисунок 3 структура сигма-дельта АЦП

    Входной сигнал поступает на блок вычитания полученного битового кода, далее на интегратор, компаратор и триггер (элемент задержки по времени), выход триггера — последовательность битового кода PDM. Данная последовательность поступает на усредняющий ФНЧ, дециматор, и на выходе получается оцифрованный сигнал высокой разрядности (разрядность повышается внутри фильтра). Надо заметить, что частота следования нулей и единиц в потоке PDM должна быть существенно выше, чем частота построения выходного кода высокой разрядности. В простейшем случае для получения 8-битного АЦП необходимо повышение частоты PDM в 256 раз. Это неудобно и нерационально.

    Поэтому сигма-дельта модуляторы собирают последовательно в количестве 2..3..7 штук, возникает эффект модуляции шума, перенос энергии шума на высокие частоты, и как следствие в рабочей низкочастотной области шумов оказывается меньше. Это позволяет получить «эффективную» разрядность существенно выше, что у PDM первого порядка, как показано на рисунке 4.

    Рисунок 4 Формирование спектра шума сигма-дельта модуляторов разного порядка

    Таким образом, при повышении частоты дискретизации в 64 раза и использовании сигма-дельта модулятора 4 порядка можно получить разрядность 12 бит вместо 6. При повышении порядка до 7 и той же частоте дискретизации разрядность можно поднять уже до 16. Таким образом, оказывается возможным создавать сигма-дельта АЦП не только до единиц-десятков kSPS, но и существенно больше. Например, если производить цифровую фильтрацию PDM в ПЛИС Xilinx на частоте 400 МГц (что вполне реализуемо с использованием аппаратных умножителей и дифференциальных входов), коэффициенте передискретизации 64 можно получить 16-битный АЦП на частоте 6.250 MSPS. При меньшей разрядности можно увеличить частоту дискретизации. Данный тип АЦП можно использовать для синхронной обработки большого числа АЦП, особенно если всю цифровую обработку всех потоков PDM поместить внутри одной ПЛИС.
    Классический рисунок областей применения различных АЦП можно изменить так:

    Рисунок 5 Современное состояние различных типов АЦП

    Сигма-дельта АЦП могут заменить собой практически все другие типы АЦП кроме наиболее быстродействующих параллельных. И по большинству параметров окажутся лучше старых аналогов других типов.
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 19

      +3

      Кроме того, что оно электричество будет жрать как не в себя (сотни МГц на плисине даром не даются), против весьма экономичных SAR

        +1
        Да, недостатков у таких АЦП всего два — больше потребление и стоимость. Пример про ПЛИС нужен был только для демонстрации — есть много готовых преобразователей из PDM в параллельный код.
        +4
        Навскидку хочу сказать, что во-первых, конвейерные АЦП — не экзотика, их очень много, а во-вторых, могу вам прямо сейчас показать в количестве SAR АЦП на сотни MSPS и их interleaved сборки на 16-64 GSPS. Они как раз активно вытесняют из мэйнстрима скоростные flash АЦП.
          +1

          Сигма-дельта АЦП тоже немного мутируют в сторону SAR, то есть сами модуляторы внутри уже могут быть и многобитными, а не просто на компараторе.
          Или вообще вот LTC2500 — SAR с оверсэмплингом и децимирующей фильтрацией, но нелинейность при этом меньше 1ppm каким-то образом обеспечивают.

            +2
            56 GSPS SAR ADC 8 bit уже не один год доступны, так что можете расшипять диапазон на графиках). А вообще да, на данный момент заметно «вырождение» архитектур. Все делают DS-ADC, SAR ADC(последовательный) или Interleaved SAR ADC(последовательно-параллельный).
              +1
              Еще к недостаткам сигма-дельта АЦП можно отнести то, что цифровой фильтр в них заваливает АЧХ, что вынуждает оцифровывать с бОльшей частотой дискретизации, чем это можно делать с другими АЦП. С другой стороны это снижает требования к аппаратному фильтру.
              И да, другие АЦП не стоят на месте. Например, есть 24х битные SAR.
                0
                Даже лучшие дельта-сигма АЦП дают эффективную разрядность не выше 18-20 бит. Всё остальное шум.
                +1
                У сигма-дельты очень плохо с линейностями и коэффициентом передачи (усиления), поэтому если их использовать для абсолютных измерений а не для относительных (оцифровка звука например), то там 24 бита сразу превращаются в 14...18 честных бит. Например, если один шаг в одной части диапазона равен 4 мкВ, то в другой части диапазона он может быть равен 3,999 или 4,001 мкВ… А 1000 шагов может быть от 3,999 до 4,001 мВ в зависимости от постоянной составляющей между входами… Это соответствует 12...13 честным битам. Поэтому для абсолютных измерений предпочтительней SAR ADC, у них нелинейности гарантированно не превышают 1...3 LSB во всём диапазоне.
                  0

                  Как раз наоборот, SAR требует устройство выборки-хранения, линейностью которого отчасти всё и ограничивается, потому что надо взять входное напряжение и запомнить его в какой-то ёмкости на время преобразования. А там и утечки, которые от напряжения зависят, и поляризация диэлектрика ёмкости. А у сигмадельта АЦП компаратор, охваченный обратной связью через 1битный ЦАП и интегратор, будет держать околонулевое напряжение в среднем на ёмкости интегратора, поэтому с линейностью у сигма-дельта обычно гораздо лучше чем у SAR.

                  +1
                  Рисунок 2 «График зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования» выглядит совсем уж древним. Не секрет где его (рискну предположить) слямзили? В каком-то журнале «Радио» за прошлое тысячелетие?

                  Интегрирующие АЦП, например на базе преобразователя напряжения в частоту совсем не в этих пределах работают. High Frequency voltage controlled oscillators могут работать на сотнях мегагерц, а то и на гигагерцах. Подаете эту частоту на 32-битный счетчик микроконтроллера (на 200 мегагерцах многие работают) и потом просто снимаете значения этого счетчика через регулярные промежутки времени. Вполне могут на частоте 1 MHz оцифровывать с разрешением 4 бит, а может и все 8 бит.

                  В моем понимании АЦП на базе high frequency voltage controlled oscillators, при грамотном исполнении должно как минимум не уступать сигма-дельта АЦП, — синусоида она и в Африке синусоида. Чего вас так подклинило на сигма-дельта АЦП, не совсем понятно. Можете даже дифференциальную схему взять — через инструментальный усилитель подать инвертированный аналоговый сигнал на второй voltage controlled oscillator, его выход — на второй 32-битный счетчик микроконтроллера, а через регулярные промежутки времени брать разницу значений счетчиков. Так и до почти 30 бит разрешения можно вроде как теоретически добраться, хорошо только стабилизируйте температуру модуля.
                    0
                    Базовым удобством дельта-сигма АЦП является аппаратный ФНЧ. АЦП последовательного приближения, например, им не обладают и потому схема измерения обязательно должна быть дополнена аналоговым фильтром на половину частоты опроса, что неудобно, когда необходимо эту частоту опроса изменять. В противном случае шумы в спектре выше половины частоты опроса будут отражаться в нижнюю часть спектра, делая невозможным нормальную работу. Никакими программными способами такие помехи отфильтровать невозможно.
                    Не забываем, что фактическая разрядность лучших представителей АЦП, как дельта-сигма, так и последовательного приближения, не выше 18-20 разрядов, хотя выпускаются и 32 битные АЦП. Связано это с тем, что невозможно обеспечить столь низкие уровни шума аналоговой части. Т.е мы видим тут все, вплоть до теплового шума резисторов.
                      0

                      Разрядность можно и выше 18-20 сделать, и хотя 32 разряда в АЦП конечно в основном "маркетинговые", но тем не менее зарезав полосу до единиц Гц и меньше вполне можно получить шумы, отношение которых к шкале, в 24 разряда уже не влезут, но вот нелинейность, которая не лучше 1ppm и 20 разрядам соответствует при этом никуда не денется.

                        0
                        Эту нелинейность, менее 1ppm, вам просто нечем аттестовывать. Потому разговор об этом является виртуальным.
                        Что касается разрядности выше 20 бит для секундных измерений, простое математическое осреднение замера дает плюс 10-12 бит, причем АБСОЛЮТНО ЛИНЕЙНЫХ.
                          0
                          С дельта-сигма другая проблема — бывает очень проблематично реализовывать истинно синхронный сбор нескольких каналов, у каждого АЦП на чипе свой тактовый генератор.
                            +1

                            Для небольшого количества каналов есть simultaneous sampling с несколькими АЦП в одном корпусе и все от одного клока тактируются, но и некоторые отдельные СДАЦП вполне умеют в синхронизацию снаружи и внешнее тактирование.

                              0
                              Вот именно, что некоторые и отдельные.
                                0

                                тот ширпотреб который тактироваться снаружи и сбрасывать свои фильтры по внешнему сигналу синхронизации не умеет — не особо-то и надо. нормальные АЦП — умеют

                                  0
                                  Если у вас действительно серьезная проблема, то вы должны понимать, что все подряд ее не решает. В особо запущенных случаях бывает даже необходимо заказать разработку ASIC под свои нужды.
                            0
                            АЦП последовательного приближения, например, им не обладают и потому схема измерения обязательно должна быть дополнена аналоговым фильтром на половину частоты опроса,

                            Наличие ФНЧ в сигма-дельта АЦП не отменяет необходимости делать аппаратный фильтр, а лишь снижает требования к нему, т.к. этот фильтр пропускает полосу после частоты заграждения (и вообще у них характеристика довольно хитрая в зависимости от порядка).

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое