Азбука преобразования. Часть 2
Журнал «Chip News» №1 2003 г.
Анатолий Шитиков
Данная статья является продолжением материала, опубликованного впредыдущем номере. Впервой публикации были описаны цифро-аналоговые преобразователи компании Maxim. Рассмотрим теперь аналогово-цифровые преобразователи этой фирмы.
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)— электронная схема, которая измеряет сигнал реального мира (температура, давление, скорость ит.д.,выраженные вэлектрических величинах) ипреобразовывает его цифровую форму. Аналоговый электрический сигнал навходе преобразователя сравнивается сизвестным эталонным напряжением ипроизводится цифровое представление этого сигнала. Навыходе АЦП имеет обычно двоичный код, пропорциональный входному аналоговому значению. Посвоей природе АЦП вносит ошибку квантования. Это потерянная информация, поскольку для непрерывного аналогового сигнала должна быть бесконечная разрешающая способность преобразователя, ареально АЦП имеет конечное число разрядов кодирования. Чем выше разрядность АЦП, тем больше разрешающая способность, тем меньше приходится информации наошибку квантования.
Кпримеру, для решения некоторой технической задачи разработчик системы сбора информации использует 12-ти разрядный АЦП. Ксвоему ужасу, взаключительной стадии разработки, онобнаруживает, что цифровые значения кода преобразованных аналоговых сигналов несоответствует разрешающей способности преобразователя. Чтобы этого непроизошло, необходимо полное понимание специфики работы АЦП. Прохождение сигнала поцепи приборов накапливает суммарную ошибку. Важно, чтобы она небыла ниже некоторого предела. Часто АЦП является ключевым компонентом схемы, поэтому выбор преобразователя требует максимального внимания. Точность АЦП зависит отнескольких ключевых условий, которые включают: ошибку интегральной нелинейности, смещение, ошибку откоэффициента передачи, точность опорного напряжения, температурный коэффициент, характеристики прибора попеременному току.
Рассмотрим работу АЦП вболее легком режиме— преобразование сигнала постоянного тока.
Системные требования
Есть два известных метода для определения полной системной ошибки (ПСИ):
- ПСИ= (Е12+Е22+Е32+…+Еn2)½
где: Еn— составляющая конкретного параметра схемы.
Этот метод наиболее точен, если все составляющие ошибки некоррелированные. - Метод анализа— это ошибка худшего случая. Здесь все составляющие ошибки просто добавляются. Этот метод гарантирует, что ошибка никогда небудет превышать указанный предел. Фактическая ошибка— всегда меньше вычисленного значения, ачасто игораздо меньше. Нет жестких правил применения какого-то метода расчета. Здесь для анализа мыбудем использовать ошибку худшего случая.
Кпримеру, если нужна точность 0,1%или 1/210,тоимеет смысл выбрать преобразователь сбольшей разрешающей способностью, чем необходимо. Например, на12разрядов. Хотя это инегарантирует выполнение преобразования с12-ти разрядной точностью, так как интегральная ошибка нелинейности может составлять 4единицы МЗР, нопри этом будет достигнута точность 10-разрядного АЦП.
Внашем случае, допуская 0,075% (11разрядов) напреобразователь, 0,025% относим наинтерфейс схемы (датчики, операционные усилители, мультиплексоры ит.д.).
Считаем, что полная ошибка будет состоять изсуммы составляющих ошибки каждого комп. схемы поцепи прохождения сигнала. Будем считать, что мывыбрали АЦП стемпературным диапазоном 0÷70°С,аработать онбудет вдиапазоне 0÷50°С.
Дифференциальная нелинейность (DNL)
Обычно дифференциальная нелинейность неупоминается как ключевой параметр для АЦП. Ноэта ошибка является первой, которую мырассматриваем. DNL демонстрирует как изменение вовходном аналоговом сигнале преобразовывается вединицу значащего младшего разряда. Другими словами, накакую величину изменится аналоговый сигнал при очередном изменении выходного кода на1МЗР. (см. 4).
4.К определению DNL: a) коды не пропадают; b) коды не пропадают; c) код 10 потерян: d) в точке A*ВХ цифровой код может иметь одно из трех возможных значений. Когда входное напряжение колеблется, код 10 будет потерян.
Интегральная нелинейность является составной частью DNL ошибок. Поэтому DNL невключается всписок ключевых параметров. Нормально работающий АЦП— это никакого отсутствия или пропуска кода при подаче аналогового сигнала вовсем диапазоне входного напряжения. Из4видно, что уже при ошибке DNL=±1МЗР нет гарантии, что все коды будут присутствовать. Только учитывая, что при заводских испытаниях тесты более жесткие, чем это указано вТУ,ошибка ±1МЗР обычно недает потери кода. Если DNL больше, чем ±1МЗР, АЦП обязательно будет иметь отсутствующие коды. Что делать? Например, Вам нужен 13-разрядный АЦП. Выберете дешевый 16-разрядный сDNL ошибкой ±4МЗР (преобразователь соответствует 14разрядам). Иконечно, это будет более выгодно, чем использовать 16-разрядный АЦП сDNL ±1МЗР.
Интегральная нелинейность (INL)
INL определяется как интеграл ошибок DNL. Ошибка INL демонстрирует, как далеко отидеальной функции происходит передача результата преобразования. Так INL ошибка, составляющая ±2МЗР для 12-разрядного АЦП означает , что значение максимальной ошибки нелинейности равно 2:4096или 0,05% (это составляет 2/3выделенного бюджета ошибки АЦП). СINL ±0,5МЗР точность составляет 0,012% или 16%отбюджета ошибки. Надо отметить, что ошибки INL немогут быть легко откалиброваны или скорректированы.
Ошибки смещения икоэффициента передачи
Эти ошибки могут быть легко откалиброваны при использовании микроциклора. Вбиполярных системах ошибка смещения перемещает функцию передачи, нонеуменьшает число доступных кодов. Поодной методологии необходимо оси хиупередаточной функции переместить так, чтобы отрицательная полномасштабная точка совпала снулевой точкой униполярной системы восях х'иy'.Таким образом устраняется ошибка смещения. Далее вращаем передаточную функцию АЦП доположения, когда новая линия совпадётсидеальной передаточной функции. Так корректируется ошибка коэффициента передачи.
Второй способ— это метод повторов. Навход АЦП подают нулевое напряжение. Результат преобразования представляет биполярную ошибку смещения нуля. Делая преобразование вовсем диапазоне входных напряжений, передвигая ошибку смещения вноль поосям напряжение/код, получим линию 2— калибровка смещения. Используя точку А(см. 5)как шарнир, поворачиваем всю линию доположения, параллельного идеальной линии передачи. Здесь опять потребуется смещение полученной линии досовпадения сидеальной. Вовсех этих случаях ступенчатая функция заменялась непрерывной линией, так как размер одного шага настолько мал, что вся линия представляется линейной.
5.Корректировка ошибки смещения и коэффициента передачи
Некоторые нюансы для униполярной системы. Если смещение положительное, тометодология устранения ошибки таже, что идля биополярного питания. Различие состоит втом, что Вытеряете часть кодового диапазона АЦП. Если смещение отрицательное, тоневозможно определить сразу ошибку смещения, так как ниже нуля преобразователь отображает только нули. Здесь нужно медленно увеличивать входное напряжение отнулевого значения иопределить, где АЦП передает первый действительный код. При этом также теряется часть кодового диапазона АЦП. возвратимся кнашему примеру.
Если ошибка смещения, например, 8мВпри Uon=2,5В,тоэто соответствует 8мВ: [2,5:4096]=13МЗР для 12-разрядного АЦП. Тоесть, необходимо изкаждого результата преобразования вычесть 13единиц МЗР, чтобы компенсировать ошибку смещения. Фактическое измеряемое значение составляет 2,492В. Это означает, что входная информация около нулевого значения непреобразовывается вкод дотех пор, пока непревысит +8мВ, тем самым сильно уменьшается динамический диапазон ЦАП.
Ошибка коэффициента передачи определяется как разность полной шкалы (FS)иошибки смещения (см. 6).Ошибка коэффициента передачи легко корректируется впрограммном обеспечении слинейной функцией у=(m1/m2)х(Х),где: m1— коэффициент наклона для идеальной передаточной функции, аm2— для измеряемой передаточной функции.
6.Ошибки смещения коэффициента передачи и полной шкалы
Ошибка коэффициента передачи может включать всебя иошибку отисточника опорного напряжения АЦП. ошибка коэффициента передачи намного хуже, если используется ИОН, встроенный вАЦП. Для устранения ошибки отИОН нужно либо «вылизывать» его довеличины, когда она передаточная функция действительна вовсем диапазоне, либо изменить наклон передаточной функции программно.
Как отошибки смещения, так иотошибки коэффициента передача теряется динамический диапазон АЦП. Например, если входное напряжение составляет 4050дискрет вместо идеальных 4096(для 12-ти разрядного преобразователя), это определяется как отрицательная ошибка коэффициента передачи. Вэтом случае 46дискрет небудут использованы. Точно также, если 4096дискрет появляются при напряжении входа, меньшем, чем полная шкала, динамический диапазон АЦП снова уменьшается. Здесь нужно отметить, что сположительными ошибками невозможно калибровать преобразователь заточками, когда код уже показал полную кодовую шкалу, ааналоговый вход еще недостиг своего предела.
Вообще, самый легкий способ выбора АЦП— это найти12-ти разрядный АЦП, который ненадо калибровать. Найти такой прибор, например, сошибкой неболее чем 4МЗР, теперь весьма легко.
Другие источники неявной ошибки
Шум граничных кодов
Шум граничных кодов— количество шума, который появляется при переходе передаточной функции отодного значения кследующему. Втехнических данных обычно неуказывается. Особенно это касается АЦП свысоким разрешением (до16разрядов), укоторых единица МЗР имеет меньшее весовое значение, ишум граничных кодов более распространен. Иногда величина шума граничных кодов может достигать нескольких единиц МЗР. Вэтом случае преобразование аналогового сигнала может закончиться кодовым мерцанием вмладших значащих разрядах. Чтобы эффективно устранить неточность преобразования из-за шумов граничных кодов надо провести необходимое число замеров иусреднить результаты.
Например, если среднестатистическое значение составляет 2/3МЗР, это приравнивается приблизительно к4МЗР отпика допика. Чтобы свести к1МЗР необходимо выбрать вквадрат раз больше замеров, чем величина шума. Вданном случае 42составляет 16замеров.
Опорное напряжение
Одним изнаиболее потенциальных источников ошибок вАЦП является источник опорного напряжения (ИОН). ИОН может быть встроен вчип или быть отдельным прибором, новсегда необходимо обращать внимание на3параметра: температурный дрейф, шум напряжения инестабильность выходного напряжения (или тока) отнагрузки.
Температурный дрейф
Влияние температурного дрейфа ИОН наточность преобразования АЦП представлена на7.Так, для поддержания точности 12-ти разрядного АЦП врасширенном температурном диапазоне (от-40°Сдо+85°С)дрейф недолжен превышать 4ppm/°С.Нуигде найти такой преобразователь свстроенным ИОН?! на данный момент таких нет. Если ослабить требования ростом температуры в10градусов, тоиздесь дрейф напряжения ИОН неможет быть более 25ppm/°С.Конечно, если измерение происходит при постоянной температуре, топроблема дрейфа устраняется. Для устранения ошибки преобразования оттемпературного дрейфа необходимо запитать источник сигнала отИОН. Второй вариант— это достаточно частая калибровка системы, чтобы дрейф опорного напряжения был эффективно удален.
7.Требования к дрейфу опорного напряжения и разрешающая способность АЦП (С— коммерческие, Е— индустриальные, М— военные)
Шум напряжения
Часто определяется как среднеквадратическая величина или как величина полного размаха. Если опорное напряжение 2,5Вимеет полный размах шума величиной 500мкВ, тоэто представляет ошибку 0,02%,что соответствует только 12-ти разрядному преобразованию. Поэтому ошибка преобразования отшума опорного напряжения анализируется прежде, чем любая другая. Если, при встроенном ИОН, Вынеполучаете требуемую точность, топопробуйте использовать внешний прецизионный источник исделайте соответствующие выводы.
Нестабильность ИОН отнагрузки
Часто источник опорного напряжения используется для других устройств и/или микросхем. Ток, который при этом отбирается, приводит кнестабильности опорного напряжения. Чем больший ток потребляют внешние схемы, тем ниже падает опорное напряжение. Если дополнительные устройства включаются периодически, тоопорное напряжение будет также раскачиваться вверх-вниз. Если стабильность потоку для опорного напряжения 2,5.Всоставляет 0,5мкВ/мкА инадругие устройства отбирается 800мкА, тоизменение опорного напряжения может достигать 400мкВ, или 0,016% (400мкВ/2,5В).
Другие ошибки отизменения температуры
Очень мало внимания при выборе преобразователей уделяется стабильности характеристик оттемпературы. Тепараметры, которые приводятся втехнических условиях, обычно даются как типовые значения для определения текущих системных требований. Например, при использовании внешнего ИОН, дрейф напряжения отизменений температуры может составить 0,8ppm/°С.Если измерение происходило вразное время ипри этом изменение температуры составило +/-10градусов, результат изменения напряжения составит +/-8ppm. Для 12-ти разрядного АЦП 1МЗР составляет 1/4096=0,0244%=244ppm. Таким образом видно, что ошибка составляет только малую долю от1МЗР для 12-ти разрядного уровня. Чтобы показать эти характеристики, фирмы-изготовители должны проводить существенно большее количество испытаний приборов. Это приводилобы кросту стоимости готовой продукции. Вот поэтому оценку стабильности параметров иихвозможную калибровку приходится делать потребителю электронных приборов.
Характеристики попеременному току
Указанные параметры DNL иINL, недают ответа наточность преобразования входного напряжения переменного тока, так как применимы только ксигналам постоянного тока. Поэтому необходимо обращаться кхарактеристикам преобразователя попеременному току.
Втаблицах электрических характеристик попеременному току находятся ключи кпониманию работы АЦП сэтими сигналами. Такими ключами являются: отношение сигнал-шум (SNR), отношение суммы сигнала, шума иискажений ксуммарному уровню шума иискажений (SINAD), суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (TDN) идинамический диапазон паразитных спектральных компонентов (SFDR).
SINAD— отношение среднеквадратичного значения сигнала ксреднеквадратичному значению суммы всех других спектральных компонентов, включая гармоники, ноисключая постоянный ток.
Гармоники появляются взависимости отчастоты квантования.
SNR подобен SINAD заисключением того, что невключает гармонические составляющие. Поэтому SNR всегда должен быть меньше, чем SINAD. Обе эти величины выражаются вdB.
SINAD= [6,02(N)+1,76] [dB],
где: N— число разрядов. Для идеального 12-ти разрядного преобразователя SINAD равен 74dB.Если это уравнение рассматривать сточки зрения разрядности N,тооно будет иметь вид: N= (SINAD— 1,76)/6,02.Это уравнение является определением эффективной разрядности преобразователя (ENOB) взависимости отшумовой составляющей.
Поскольку SINAD зависит отчастоты входного сигнала, тосувеличением ееSINAD уменьшается. Значение ENOB находят втиповых рабочих характеристиках технических условий. Нелинейные искажения счастотой увеличиваются. Следовательно, ENOB также деградирует счастотой. Например, при минимальном значении SINAD в68dB наинтересующей частоте означает, что эффективная разрядность составляет 11,тоесть 1разряд информации теряется из-за шума иискажений преобразователя. Тогда Ваш 12-ти разрядный преобразователь может обеспечить только 0,05%точность влучшем случае. Итак, INL-характеристика преобразователя для сигналов постоянного тока, аENOB— для сигналов переменного тока.
SNR демонстрирует, каков уровень шума преобразователя. Может наступить резкое уменьшение отношения сигнал-шум вфункции входного сигнала отчастоты. Это значит, что преобразователь непредназначен для работы ссигналами натаких частотах.
Один изспособов улучшения SNR— это выборка сзапасом почастоте дискретизации (коэффициент расширения спектра сигнала). Выборка сповышенной частотой является методом, уменьшающим уровень шума преобразователя, распространение его поболее широкому частотному диапазону. Двойное повышение супердискретизации уменьшает шумовой уровень на3dB.
SFDR определяется как отношение среднеквадратического значения входного синусоидального сигнала ксреднеквадратичному значению самого большого выброса, наблюдаемого вчастотной области при использовании диаграммы быстрого преобразования Фурье. Выражается вdB.SFDR важно учитывать при максимальном использовании динамического диапазона АЦП. Надо иметь ввиду, что большой выброс вчастотной области мало влияет наотношение сигнал-шум, нозначительно затрагивает SFDR, т.е.динамический диапазон АЦП.
Подведение итогов
Возвращаясь кпримеру сАЦП, принимаем, что мыизмеряем сигналы постоянного тока (или низкочастотные). Входные сигналы биполярные. Выбираем АЦП типа MAX1241, который имеет: 1МЗР ошибку INL (0,0244%) ошибка смещения 3МЗР (0,0732%) икоэффициент передачи 4МЗР (0,0977%). Складывая эти ошибки, получаем всумме 0,1953%. Можно откалибровать смещение икоэффициент передачи итогда ошибка составит 0,0244%.
Если ошибка источника опорного напряжения меньше чем 0,075%-0,024%=0,051%, товыбранный АЦП будет находиться впределах бюджета ошибки. Дрейф 5ppm/°Свпределах 50-ти градусов эквивалентен ошибке 0,025%. взапасе остается еще 0,026%. Для 12-ти разрядного АЦП, внашем случае, необходимо иметь ИОН снапряжением шума меньше, чем 1МЗР (2,5В/4096=610мкВ пик-в-пик или 102мкВ среднеквадратическое значение). Хорошим выбором будет ИОН MAX6166, укоторого дрейф напряжения составляет 5ppm/°C, асреднеквадратическое значение шума— 30мкВ. Имейте ввиду, что 3-мкВ шум приравнивается к180мкВ двойной амплитуды, что составляет третью часть МЗР для 12-ти разрядного АЦП. Потехническим условиям дрейф коэффициента передачи для MAX1241 составляет 0,25ppm/°Сили 12,5ppm вдиапазоне изменения температуры 50°С,что является хорошей нормой для такого прибора. Выбор АЦП для достижения необходимой точности завершен. Ноздесь непоказана работа выбранного преобразователя ссигналами переменного тока. Вот техарактеристики, которые отмечены выше, ипомогут Вам самостоятельно посмотреть— выполнитли выбранный прибор требования поточности для сигналов переменного тока.
Заключение
Представленная выше информация на100% относится кАЦП конвейерного типа, куда входят преобразователи наоснове регистра последовательного приближения. Эти самые популярные приборы сразрешающей способностью от8до16разрядов имеют скорость выборки отединиц досотни мегавыборок всекунду (MSps). Более точным приборам соответствует меньшая скорость дискретизации. Так MAX1200/ MAX1201 / MAX1205 имеют соответственно разрешающую способность/скорость выборки— 16разрядов/1MSps, 14разрядов/2MSps. Асемейство 10-ти разрядных АЦП типа MAX1444/ MAX1446 / MAX1448 имеют соответственно скорость выборки 40/60/105MSps.
Если необходимо сверхбыстрое преобразование аналогового сигнала, топрименяют АЦП спараллельным преобразованием (взарубежной документации— Flash ADC). Восновном это 8-и разрядные преобразователи счастотой дискретизации 1ГГц— 1,5ГГц. АЦП типа MAX104/6/8конвертируют аналоговый сигнал спомощью линейки быстродействующих компараторов. Ихколичество составляет 2n-1,аопорное напряжение накаждый изних (1МЗР) подается сделителя напряжения, состоящего из2? резисторов. Для улучшения точности преобразования высококачественного сигнала вчип встроен усилитель слежения изапоминания (Т/Н)сполосой пропускания 2,2ГГц. Время преобразования незначительно зависит отвеличины конвертируемого сигнала.
Интегрирующие преобразователи
Имеют высокую разрешающую способность (MAX132— 18разрядов), носкорость преобразования отнескольких сотен Гцдонескольких кГц. Предназначены для преобразования медленно меняющихся сигналов. Большинство схем интегрирующих преобразователей снабжается дешифраторной схемой для непосредственного управления десятичной цифровой линейкой индикаторов. Являются основой портативных цифровых вольтметров на3,5— 4,5— 5,5декад.
Отслеживающие (дельта-сигма) АЦП
Используется всистемах автоматического регулирования. При разрешающей способности 12÷16разрядов имеют полосу частот до1МГц, а24-х разрядный АЦП имеет скорость преобразования отсотни Гцдонескольких кГц. Этот тип преобразователей имеет самую высокую разрешающую способность. Имнужны простые фильтры защиты отналожения спектров, чтобы ограничить полосу частот допреобразования. Нужно помнить, что сувеличением частоты преобразования понижается разрешающая способность.
Имеется еще несколько видов АЦП, комбинированные, многоступенчатые, сбалансированием зарядами ипр.Один изспособов преобразования физической величины (температуры) непосредственно вцифру используется втемпературных датчиках Dallas'а.Здесь два генератора частоты сконденсаторами, укоторых разный температурный коэффициент емкости, имеют расходящиеся характеристики частота-температура. Разность этих частот является основой для получения цифрового эквивалента измеряемой температуры.
На8представлены АЦП сразными типами архитектуры иихотличительные характеристики. Поэтим кривым можно сделать первичный выбор типа прибора для конкретного применения.
8.Отличительные характеристики АЦП с разной архитектурой
Автор надеется, что материал, который был изложен вданном цикле статей, будет полезен разработчикам впрактическом выборе преобразователей фирмы MAXIM. Готов ответить навопросы, которые могут возникнуть попрочтении.
Поматериалам фирмы MAXIM.
Источник: rtcs.ruЧитайте далее: Weller — мир профессионального паяльного оборудования (3), Электрический паяльник инженера Сакса. История и современность., Схемотехника при разработке устройств на микроконтроллерах, Конфигурируемая система на кристалле Е5 — первое знакомство, IR21571— контроллер электронных балластов нового поколения, Однокристальные системы сбора данных семейства ADuC8xx, «NO EXCUSES» — специальная программа компании MOTOROLA, Встречайте, R100-XP !!!, Микроконтроллеры фирмы NEC. Часть 1., ШИМ-контроллеры малой мощности TinySwitch от Power Integrations, Микроконтроллеры фирмы AMD, Схема сброса и Watcdog-таймер, ГЛЮКИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ PIC, Технологии и компоненты передачи данных по линиям электропитания, НАБОР КОМАНД PIC МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА PIC18XXXX, Подключение светодиодов с использованием минимального количества портов микрокон, Работа с EEPROM типа 24LCxx., Полезные подпрограммы для PIC-контроллеров, Интерфейс USB: описание и основы устройств сопряжения,
|
