Шапка

13.10 АЦП: Проблемы выбора

Хорошая новость: мир АЦП богат и разнообразен, в нём найдётся вариант на любой вкус. Плохая новость: мир АЦП богат и разнообразен, в нём найдётся вариант на любой вкус. Далее приводятся некоторые советы, которые помогут ориентироваться в этом море 98 возможностей.

13.10.1 Сигма-дельта техника и параметры для сравнения

13.10.1.A Аналогово-цифровые преобразователи

Сигма-дельта - один из нескольких методов преобразования, включающих кроме того:

  1. интегрирующие преобразователи,
  2. АЦП последовательного приближения,
  3. параллельные АЦП и
  4. параллельные конвейерные.
Низкая скорость
Для работы со скоростью «вольтметра» ( порядка 10 измерений в секунду ) безусловными фаворитами являются многостадийные интегрирующие преобразователи. Впрочем, доминирование поставлено под вопрос отличными ΣΔ АЦП, например, 24-разрядными LTC2412 фирмы Linear и AD7732 ( входной диапазон ±10 V ) фирмы Analog Devices.
Средняя скорость ( до сотен ksps )
Сигма-дельта доминируют в области точных измерений - 16 разрядов и выше. Здесь очень хороши Cirrus и AKM ( например, AK5384: 24 разряда, 96 ksps, 4 канала или конвертор на рис. 13.68 ). Есть много хороших аудио АЦП, но никто из них не может похвастаться приличными параметрами на постоянном токе. В области до 16 разрядов удобнее всего использовать АЦП последовательного приближения.
Средняя-высокая скорость ( до нескольких Msps )
Здесь идёт ожесточённая схватка между ΣΔ и АЦП последовательного приближения, использующих метод распределения заряда. Точности сравнимы, но SAR быстрее ( серия PulSAR™ фирмы ADI AD76xx/79xx - AD7690: 18 разрядов, 400 ksps , см. врезку ниже ).
Высокая скорость ( до сотен Msps )
Здесь выбирают параллельные АЦП конвейерного типа ( также известные как «half-flash» ) или архитектуру последовательного счёта ( рис. 13.27 ). Они имеют несколько шагов грубого последовательного приближения и параллельную часть. Результаты получаются очень быстро, но с латентностью порядка 10 выборок ( ADI AD9626: 12 разрядов, 250 Msps и TI ADS6149: 14 разрядов, 250 Msps ).

Безумная скорость ( более 250 Msps )
В этом курятнике рулят варианты параллельной архитектуры , которые расплачиваются за скорость небольшим разрешением ( 6...10 разрядов ). Несколько интересных АЦП есть у National/TI ( ADC08D1520: 8 разрядов, 3000 Msps , ADC10D1500: 10 разрядов, 3000 Msps и ADC12D1800 12 разрядов, 3600 Msps ). Такие АЦП находят широкое применение в качестве элементов измерительной схемы цифровых осциллографов 99 и программно управляемого радио. На данный момент известно ( но непонятно как это возможно ) о разработке Fujitsu 56000 Mbps (!) 8 разрядов 100 .

13.10.1.B Цифро-аналоговые преобразователи

Здесь используются три технологии:

  1. R-2R делители,
  2. делители на длинных цепочках и
  3. переключение токов.
Наивысшая линейность
Сигма-дельта лучше всех. Точность и линейность порядка 20 разрядов на звуковых скоростях, а бывают столь же хорошие параметры и на постоянном токе ( 20-разрядный DAC1220 фирмы TI ). Но здесь надо смотреть за широкополосным шумом наводок тактовой частоты ( у DAC1220 ∼1000 nV/\(\sqrt{Hz}\) на 1 kHz , а у ЦАПов на делителях ∼10 nV/\(\sqrt{Hz}\) ) .

Средняя скорость, высокая точность
Много отличных ЦАПов на R-2R и цепочках резисторов. Примеры:
  • TI DAC8552 ( сдвоенный, 16 разрядов, с последовательным входом, выход по напряжению, внешняя опора, очень небольшие выбросы при переключении кода, 10 μs время установления; DAC8560/4/5 те же цифры, внутренняя опора ).
  • ADI AD5544 или TI DAC8814 ( счетверённый, 16 разрядов, умножающий ( MDAC ), с последовательным входом, выход по току, 0.5–2 μs время установления с внешним ОУ ).
  • LTC1668 ( 16 разрядов, параллельный вход, дифференциальный токовый выход, 20 ns время установления на 50 Ω в качестве «выхода по напряжению» )
  • TI DAC9881 ( 18 разрядов, последовательный вход, RR выход по напряжению, внешняя опора, низкий шум, установление 5 μs ) .
Высокая скорость
ЦАП с переключением тока непобедимы. TI DAC5681/2 ( 16 разрядов, 1 Gsps ), ADI AD9739 ( 14 разрядов, 2.5 Gsps ).

13.10.1.C Антракт: сафари в этом зоопарке

Чтобы раскрыть важные различия характеристик сигма-дельта и метод последовательного приближения пришлось стравить между собой двух очень хорошо совпадающих игроков из одной команды ( Analog Devices ). Параметры микросхем следующие:

SAR ??___________________AD7641 AD7760 units__________ Introduced 2006 2006 year CE Price $47 $53 US dollars Conv rate 2.0 2.5 Msps Samp freq 2 40 MHz Alias above 1 20 MHz Resolution 18 24 bits Zero error 60 200 ppm max ” tempco 0.5 0.1 ppm/°C typ Gain error 0.25\text% 0.016\text% max/typ ” tempco 1 2 ppm/°C typ SNR 93 100 dB typ THD —101 —103 dBtyp INL ±7.6 ±7.6 ppm typ Data delay 0.5 12 ?s Reference int ext Supplies 1 3 Power 75 960 mW

Table 13.11 Selected Audio D-to-A Convertersa Notes: (a) in order of increasing price. (b) H=“hardware,” I.e., pin-programmable; I=I2C; S=SPI. (c) AS=TI “advanced segment”; C-seg=current-segment; DS=delta-sigma; mbDS=multibit delta-sigma; R-2R=ladder. (d) at 96 ksps. (e) 48 ksps audio. ( f) Idiff=differential current; Ise=singled-ended current; SP/HP=speaker or headphone; Vdiff=differential voltage; Vse=single-ended voltage. ( g ) 0.6W into 8?, with Vs=5V. (h) analog supply only; class-D amp has 80\text% effy. (k ) qty 100. (m) at 48 kHz. (n ) stopband attenuation, in sharp rolloff mode, at f/fs=0.546. (o) at 192 ksps. ( p) 2.5 W mono. (q) 1.9W stereo, 1\text% THD into 4? with Vs=5V. ( t ) typical. Comments: A: low power. B: 8-pin, "entry level"; choose p/n for data format. C: PCM1754=H/W interface. D: stereo headphone drivers, and class-D mono spkr amp, 2.7-5.5 V. E: high performance consumer audio/video. F: portable consumer audio; 100 dB SNR at headphone output. G: octal, multichannel consumer audio/video. H: quad, professional and high-end audio, high performance. J: low jitter. L: premium; DSD1794A=I2C/SPI. M: 16 channels; automotive, etc. N: supports SACD output. P: premium. Q: legendary, the best of the legacy R-2R audio DACs; needs external filter.

У сигма-дельта неплохо поставлен удар: отличное разрешение и простота расчёта спектрального фильтра, ограничивающего полосу ( спасибо восьмикратной передискретизации ). SAR замечает, что число разрядов - невелика заслуга, а на самом деле важнее линейность ( но здесь оба на уровне ). SAR выдаёт первый результат в 25 раз быстрее из-за очень малой латентности. ΣΔ отвечает заявленным отношением сигнал-шум. SAR парирует одним питанием, против двух плюс опора у ΣΔ , и добивает в 13 раз меньшим потреблением. ΣΔ возвращает - в 15 раз меньшая ошибка усиления. SAR заявляет протест на читерство, указывая на регистр для калибровки усиления. ΣΔ переходт к оскорблениям по поводу отсутствия у противника мозгов для читерства. Оба участника заявляют о своей победе, их растаскивают по углам. Зрители фиксируют ничью и хорошую игру с обеих сторон.

13.10.2 Однократная выборка против усреднения: шум в АЦП

Сигма-дельта - одна из форм интегрирующих АЦП, т.е. измерение учитывает изменение сигнала за время преобразования. Можно даже говорить о некоторой форме простого усреднения. АЦП последовательного приближения действуют совершенно иначе. Мгновенное значение входного сигнала запоминается схемой выборки-хранения сразу после начала преобразования ( этот процесс занимает некоторое время, называемое апертурным ). Данное различие имеет несколько важных следствий, в числе которых способность SAR АЦП работать с очень низким уровнем потребления при редких запросах на преобразование ( см. далее ).

Другим важным следствием является эффективная рабочая полоса, в которой можно измерять сигнал. Малое апертурное время соответствует здесь широкой полосе и наоборот. Интуитивно понятно, что высокие частоты смазываются большим апертурным временем, а короткая выборка позволяет отразить в данных быстрое изменение амплитуды сигнала. Иначе говоря, усреднение сигнала по интервалу времени T работает как ФНЧ, чья полоса очень близка к величине 1/T . С математической точки зрения такое действие является формой преобразований Фурье 101 .

Чтобы выразить сказанное в числах обратимся к рис. 13.69 , на котором показана АЧХ фильтра нижних частот в виде сглаживающего окна длительностью T . Низкие частоты проходят через окно свободно, а высокие искажаются в процессе усреднения. Сигнал с частотой \( f \) =1/T завершает за время T один полный цикл и самоуничтожается без остатка в ходе усреднения. Дополнительные нули появляются на частотах, кратных 1/T , когда сигнал соответствующей частоты успевает совершить целое число полных циклов 102 .

Рис. 13.69   Спектр прямоугольного импульса Π(t) длительностью T . Оконная функция накладывается на входной сигнал ( умножается на Π(t) ), т.е. сигнал фильтруется с помощью ФНЧ с указанным спектром мощности. Для сравнения приводится АЧХ RC фильтра с частотой «-3dB», равной \( f \) =1/(2T)

Таким образом, узкое окно даёт возможность широкополосному шуму, если он есть, ухудшить точность интересующего медленного сигнала, который мог бы выиграть от усреднения. Об этом надо помнить при разработке преобразователей, обращая особое внимание на ситуации, когда производятся кратковременные выборки медленного сигнала, например, температурного датчика или тензомоста. В использовании АЦП последовательного приближения нет никаких проблем, если ему на входе можно поставить ФНЧ. Интегрирующие преобразователи, в т.ч. ΣΔ , обладают усредняющими свойствами изначально.

13.10.3 АЦП с микропотреблением

Батарейным устройствам часто нужны сведения об окружающем мире, которые можно получить от датчиков, и АЦП с низким потреблением. Обычно задачу решают 8-, 10-, 12-разрядные АЦП в составе самого микроконтроллера, но если требуются более высокие характеристики, можно воспользоваться табл. 13.6 ( стр. 916 ), где перечислены микропотребляющие преобразователи. Здесь есть и SAR, и ΣΔ модели, причём большая часть присутствует также в табл. 13.5 и 13.9 . Стоит разобрать, чем они различаются с точки зрения использования. У SAR - высокая скорость преобразования, но и высокое потребление. Измерение начинается с выборки мгновенного значения сигнала сразу после запуска преобразования, что позволяет сразу выключить датчик и сэкономить в случае каких-нибудь прожорливых тензомостов. Большой ток расходуется только на короткий промежуток преобразования, а затем АЦП можно перевести в спящий режим. Например, AD7685 потребляет 2.7 mW в ходе 16-разрядного измерения с максимальной скоростью 200 ksps ( при питании 3V ), но часто можно работать с гораздо меньшей скоростью, скажем 100 sps . В таком случае рассеиваемая мощность падает до 1.4 μW ( т.е. в 2000 раз меньше ). Для большинства SAR имеется прямая зависимость потребления от скорости работы, поэтому в табл. 13.5 можно найти массу вариантов.

Сигма-дельта - интегрирующие устройства по самой своей сути. Им требуется большое время для измерения. Кроме того, 16 разрядов требуют в 16 раз больше времени, чем 12 разрядов [* из-за разницы в 4 разряда ] . Зато общее потребление ΣΔ ниже, чем у сравнимых SAR. Сигма-дельта MCP3425 рассеивает 0.44 mW при непрерывной работе с максимальной скоростью ( 16 разрядов, 15 sps ). Это в 6 раз меньше, чем потребляет AD7685 на 200 ksps . По абсолютным цифрам мощности побеждает ΣΔ , но сравнение некорректное, т.к. скорость работы различается в 10'000 раз. Вдобавок, приведённые цифры гораздо выше чем то, что обещают в справочных данных, где, например, для MCP3425 заявлена средняя мощность 1.8 μW , но только соответствует она 12-разрядному режиму и одной выборке в секунду, т.е. фактически вводит в заблуждение.

Поединок между малопотребляющими АЦП Чтобы провести корректное сравнение, условимся для начала, что требуется 10 измерений в секунду с 16-битным разрешением, а отбор будет вестись по минимуму рассеиваемой мощности. При такой скорости сигма-дельта потребляет в среднем 290 μW , а SAR - 0.14 μW , т.е. в 2000 раз меньше! Если учитывать только этот показатель качества, то мяч уже в воротах 103 . Но есть ещё кое-что. ΣΔ интегрирует сигнал на промежутке 66 ms , что даёт более тихий результат, чем у SAR, который выхватывает мгновенное значение за доли микросекунды, см. §13.10.2 104 . Для сравнения, AD7685 может сделать 2000 измерений за ту же мощность, что и одно измерение MCP3425, но чтобы понизить шум, все их придётся усреднять.

Справочные данные любой приглянувшейся микросхемы рекомендуется изучать очень внимательно. Для микропотребляющих АЦП следует учитывать наличие внутри усилителя, опорного источники и генератора. Если их нет, то потребуется дополнительная мощность для внешних компонентов [* особенно неприятны в этом отношении генераторы] . Некоторые АЦП используют в качестве опорного собственное напряжение питания. Такой подход очень удобен для логометрических [* сравнения двух величин] датчиков, вроде термисторов и тензорезисторов. Для других сенсоров может потребоваться запитать от опорного источника сам преобразователь. Некоторые АЦП используют тактовый сигнал передачи данных для преобразования, что может потребовать от управляющего контроллера тратить время и мощность на его генерацию. Отдельные преобразователи требуют довольно высокой тактовой частоты, скажем, SAR AD7091R требует 50 MHz для работы с максимальной скоростью 1 Msps . Такого рода запросы требуют серьёзных затрат мощности 105 . Если предполагается выключать АЦП между сеансами измерения, надо учесть, что процедура выхода из сна может потребовать дополнительных телодвижений и задержек.

Последний параметр - напряжение питания. Большая часть микросхем из табл. 13.6 требует умеренного минимального напряжения питания ( 2.7 V ), но АЦП, способные работать на пониженном напряжении, могут существенно сэкономить в потребляемой мощности. Например, AD7466 при 100 ksps отбирает 620 μW от источника 3.0 V , но только 120 μW от 1.6 V 106 , но с некоторой потерей производительности. Правда, в такой ситуации основную проблему может составить разработка аналоговой части схемы, способной работать при 1.6 V . С другой стороны можно выиграть на батарейном преобразователе питания.

98 [* В оригинале используется слово «welter»] Словарь Вебстера ( Merriam-Webster ):

«большое число неупорядоченных вариантов, подавляющее своими масштабами. Синонимы: масса, беспорядок, винегрет, всякая всячина, мешанина, масса; неформальная форма: крысиное гнездо.»
<-

99 Современные осциллографы достигли полосы пропускания по аналоговому сигналу 32 GHz и имеют скорость выборки 80 Gsps ( серия Agilent 90000X ). <-

100 Они были так счастливы, увидев результат, что забыли присвоить схеме обозначение. <-

101 А именно, теоремой о свёртке, где интервал выборки представляется прямоугольным временным окном единичной амплитуды. В терминах преобразования Фурье речь идёт о sinc-функции ( \(\sin T )/T\) . Её первый нуль находится на частоте \(f\)=1/T . <-

102 Это тот самый эффект вырезания из спектра частоты 1/T и её гармоник, который используется в лабораторных вольтметрах для избавления от сетевых наводок при измерениях. Период интегрирования выбирается таким, чтобы в нём укладывалось целое число периодов сетевой частоты . См. §13.8.3 и рис. 13.42 . <-

103 Между прочим, можно, ведь, и сенсор отключать на время сна. <-

104 Будет полезно вспомнить, что полоса обратно пропорциональна ширине импульса ( BW ≈ 1/T ) , и что мощность шума растёт с увеличением полосы ( для белого шума \( P_n=e_n\)·BW ) . Значит, более медленные измерения сокращают полосу и исключают за счёт усреднения ВЧ компоненты шума. <-

105 Возьмём для примера AD7091R. Логический буфер на тактовом сигнале заберёт \( P=CV^2f\) . [* В два раза больше, потому что два фронта на такт ] . Для \(C\) =5 pF и 3-вольтовой логики потребуется 2.25 mW мощности при передаче 50 MHz , что заметно больше, чем собственное потребление АЦП - 1 mW . К счастью, 50 MHz требуется только в течении 12 или 13 тактов считывания данных, что позволяет понизить мощность при передаче сигнала «CLK» до 0.6 mW ( коэффициент 13/50 ). Это гораздо лучше, но всё равно очень много. <-

106 Отношение мощностей 5.2× , а отношение напряжений - 1.9× . Зависимость более чем квадратичная. Это означает иную, нежели линейная ( более быстрое падение ), зависимость тока потребления от напряжения питания. Такое поведение не должно удивлять, если учесть эффекты «класса-A» от сквозного тока в выходном каскаде КМОП микросхем, см. рис. 10.101 . <-

Previous part:

Next part: