Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 14

1 октября

системы безопасностиавтоматизацияуниверсальное применениеTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Мануэль Чавес (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Многим уже знаком аналогичный цикл об операционных усилителях. Но АЦП – не менее важная часть сигнального тракта, а секретов и тонкостей в его применении никак не меньше. Приведены конкретные схемотехнические примеры, пошаговые инструкции с формулами, позволяющими адаптировать схему к конкретному проекту. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Для каждой схемы рекомендован как минимум один АЦП производства TI, однако разработчик может использовать и другие изделия компании, широкий выбор которых представлен на страницах каталога КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы АЦП. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно.

Подписаться на уведомления о публикации новых глав

Расчет антиалиасингового фильтра с заданной частой среза для АЦП последовательного приближения

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблицах 60 и 61.

Таблица 60. Исходные данные к расчету схемы антиалиасингового фильтра

Вход Вход АЦП Цифровой выход ADS8319
VinMin = 0,1 В Vadc_in = 4,9 В FAE1H или 6422510
VinMax = VREF = 4,9 В Vadc_in = 0,1 В 051FH или 131110

Таблица 61. Характеристики питания

Источники питания и опорного напряжения
Vcc Vee Vcm VREF AVDD DVDD
5,3 В GND (0 В) 2,5 В 5 В 5 В 5 В

Описание схемы

Алиасинг представляет собой наложение высокочастотных и низкочастотных составляющих сигнала при выполнении аналогово-цифровых преобразований. В литературе такие искажения часто называют артефактами преобразования. В статье выполняется расчет антиалиасингового фильтра для АЦП последовательного приближения (с несимметричным входом). Для расчета используется утилита Antialias Filter Designer, входящая в состав калькулятора Analog Engineers Calculator. Спроектированный фильтр позволяет ослабить артефакты преобразования до уровня 1/2  LSB выбранного АЦП.

Предлагаемая схема построена на базе АЦП ADS8319 (рисунок 72). Расчет антиалиасингового фильтра для АЦП ведется с учетом фиксированной заданной частоты среза. Данная схема может применяться в системах сбора данных, лабораторных приборах, осциллографах, модулях аналоговых входов и устройствах с батарейным питанием.

Рис. 72. Антиалайзинговый фильтр для АЦП последовательного приближения

Рис. 72. Антиалиасинговый фильтр для АЦП последовательного приближения

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 62.

Таблица 62. Ключевые параметры схемы

Параметр Расчетное значение Значение, полученное при моделировании
Ослабление сигнала 1 мВ на частоте Найквиста
(Vin_Nyquist = 1 мВ при 250 кГц)
Vout_Nyquist ≤ ½⋅LSB,
½⋅LSB = 38,14 мкВ при 250 кГц
Vout_Nyquist = 21 мкВ
Ослабление 33,43 дБ
Изменение входного сигнала АЦП при переходных процессах < 0,5 LSB или 38,15 мкВ 91,5 нВ
Шум 78,9 мкВ 87,77 мкВ
Полоса пропускания фильтра 50 кГц 50,1 кГц

Примечания

  • В учебных видео TI Precision Labs рассказывается о причинах возникновения артефактов при выполнении аналогово-цифровых преобразований, а также поясняется, как с ними можно бороться. В частности видео-урок Aliasing and Anti-aliasing Filters предлагает для борьбы с артефактами использовать антиалиасинговый фильтр.
  • Активный фильтр, используемый в рассматриваемой схеме, был разработан с помощью утилит Analog Engineer’s Calculator и TI FilterPro. Эти же утилиты могут применяться при проектировании фильтров для других приложений.
  • Для получения максимальной точности измерений используйте прецизионные резисторы с погрешностью 0,1% или 1%, а также конденсаторы с разбросом 5%.
  • RC-цепочка на входе АЦП необходима для поддержания заряда. Ее расчет должен выполняться с учетом особенностей конкретной схемы. В видео Refining Rfilt and Cfilt Values поясняется, как выбрать оптимальные номиналы резисторов и конденсаторов.
  • Моделирование схемы проводилось с помощью TINA-TI.
  • Для получения дополнительной информации по выбору операционных усилителей, моделированию АЦП, расчету RC-цепочек следует обратиться к циклу обучающих видео Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection.

Расчет схемы с помощью утилиты Analog Engineer’s Calculator

  • После выбора подходящего АЦП необходимо разработать антиалиасинговый фильтр. Расчет может вестись либо по заданной частоте среза, либо на основании заданного порядка фильтра. Далее в статье показан пример расчета фильтра по частоте среза. Если же требуется расчет по заданному порядку фильтра, то необходимо воспользоваться вкладкой «Find Usable Frequency Range» утилиты Analog Engineer’s Calculator. Оба метода расчета могут быть осуществлены с помощью Analog Engineer’s Calculator.
  • На вкладке Find Filter Order утилиты Anti-Alias Filter Designer необходимо задать тип фильтра (поле Choose Filter Type): Бесселя или Баттерворта. В данном случае был выбран фильтр Бесселя, так как он обеспечивает плоскую АЧХ в области пропускания и линейный фазовый отклик.
  • Далее необходимо задать частоту Найквиста (поле Nyquist Frequency) на уровне ½ от частоты преобразования АЦП. Так как максимальная частота выборки ADS8319 составляет 500 ksps, то следует выбрать частоту Найквиста 250 кГц.
  • В поле Cutoff Frequency box следует указать необходимую частоту среза фильтра. В общем случае рекомендуется выбирать частоту среза на порядок больше, чем желаемая частота входных сигналов. В нашем случае требуемая полоса пропускания фильтра задана и составляет 50 кГц. Этой полосы будет достаточно для работы со входными сигналами до 5 кГц.
  • В поле Alias Signal Amplitude необходимо задать ожидаемую максимальную амплитуду артефактов, которые с помощью фильтра будут ослабляться до уровня менее ½ LSB АЦП на частоте Найквиста. Амплитуда может лежать в диапазоне от единиц мкВ до верхней границы диапазона рабочих напряжений. Рассматриваемая схема предназначена для работы в составе малошумящей аппаратуры, поэтому ожидаемый уровень помех составляет 1 мВ (от пика до пика).
  • Диапазон рабочих напряжений АЦП задается в поле Full Scale Range и обычно равен напряжению Vref. В данном случае рабочий диапазон составляет 0…5 В. Разрядность АЦП задается в поле Number of Bits. Для ADS8319 разрядность составляет 16 бит.
  • После ввода данных необходимо нажать кнопку ОК. Результаты расчета отображаются в левой части окна и содержат параметры требуемого антиалиасингового фильтра (рисунок 73).

Рис. 73. Расчет фильтра с помощью утилиты Analog Engineer's Calculator

Рис. 73. Расчет фильтра с помощью утилиты Analog Engineer’s Calculator

Расчет фильтра с помощью утилиты TI FilterPro

  • Для дальнейшего расчета низкочастотного антиалиасингового фильтра следует воспользоваться утилитой TI FilterPro и данными, полученными в предыдущем разделе. Исходные данные остаются без изменений: частота Найквиста fnyquist = 250 кГц, частота среза fc = 50 кГц, амплитуда помех Valias = 1 мВ, диапазон напряжений входных сигналов FSR = 5 В, и разрядность АЦП N = 16 бит.

Работа с TI FilterPro ведется по шагам. На первом этапе необходимо выбрать вид фильтра (рисунок 74). Так как антиалиасинговый фильтр это НЧ-фильтр, то необходимо поставить галочку в пункте  Lowpass.

Рис. 74. Выбор типа фильтра: низкочастотный (Lowpass)

Рис. 74. Выбор типа фильтра: низкочастотный (Lowpass)

  • На втором шаге необходимо задать частоту среза (fc) и порядок фильтра, в соответствии с данными, полученными с помощью утилиты Analog Engineer’s Calculator. Также следует установить галочку в пункте Set Fixed filter order, чтобы зафиксировать порядок фильтра (рисунок 75).

Рис. 75. Задание параметров фильтра

Рис. 75. Задание параметров фильтра

  • На третьем шаге необходимо выбрать тип фильтра. В данном случае был выбран фильтр Бесселя, так как он обеспечивает плоскую АЧХ в области пропускания и линейный фазовый отклик (рисунок 76).

Рис. 76. Выбор типа фильтра: фильтр Бесселя

Рис. 76. Выбор типа фильтра: фильтр Бесселя

  • На следующем шаге выбираем схему фильтра с несколькими обратными связями, так как в этом случае коэффициент подавления не будет зависеть от полосы пропускания операционного усилителя (рисунок 77). Однако такая схема имеет недостатки, среди которых следует отметить инвертирование сигнала и низкий входной импеданс. В качестве альтернативы может применяться схема фильтра Саллена-Ки, которая не инвертирует сигнал и обладает высоким входным импедансом. Однако стоит иметь в виду, что коэффициент ослабления такого фильтра на высоких частотах может возрастать из-за ограничения полосы пропускания операционного усилителя.

Рис.77. Для реализации фильтра используется схема Multiple feedback

Рис. 77. Для реализации фильтра используется схема Multiple feedback

  • После нажатия кнопки Finish утилита отображает на экране схему фильтра, а также его параметры и характеристики (рисунок 78). Точность номиналов компонентов может задаваться пользователем с помощью выпадающего меню. Для получения минимальной погрешности были выбраны резисторы с разбросом 1% и конденсаторы с разбросом 5%. Номиналы компонентов также могут задаваться вручную, для этого необходимо выбирать эти компоненты на схеме.

Рис. 78. Результаты расчета антиалайзингового фильтра с помощью TI FilterPro

Рис. 78. Результаты расчета антиалиасингового фильтра с помощью TI FilterPro

Схема была промоделирована с помощью TINA-TI. Результаты моделирования представлены в следующих разделах.

Передаточные характеристики по постоянному току

Передаточная характеристика схемы имеет линейный характер в диапазоне входных напряжении 0…5 В (рисунок 79). Так как выбрана инвертирующая схема, то выходное напряжение определяется формулой: Vout = 0Vin + 5 В.

Рис. 79. Передаточная характеристика схемы

Рис. 79. Передаточная характеристика схемы

Частотные характеристики схемы

Полоса пропускания схемы составляет 50,1 кГц, то есть на 100 Гц выше, чем значение, заданное при расчете в утилите Analog Engineer’s Calculator. На частоте Найквиста ослабление сигнала составляет -33,43 дБ (рисунок 80). Таким образом, помеха (артефакт) с амплитудой 1 мВ ослабляется до уровня 21,3 мкВ. Для получения подробной информации по этому вопросу следует обратиться к серии обучающих видео Op Amps: Bandwidth.

Рис. 80. АЧХ схемы

Рис. 80. АЧХ схемы

Моделирование переходных характеристик

Моделирование отклика схемы показывает, что компоненты входного RC-фильтра выбраны верно (рисунок 81). Для получения подробной информации по этому вопросу следует обратиться к обучающему видео Refine the Rfilt and Cfilt Values.

Рис. 81. Ошибка напряжения при подаче входного сигнала 5 кГц

Рис. 81. Ошибка напряжения при подаче входного сигнала 5 кГц

Моделирование шумовых характеристик

Шумовая характеристика схемы представлена на рисунке 82. В данном случае был выполнен грубый расчет полного шума схемы. Так как на частотах свыше 50 кГц происходит существенное ослабление помех, то шум от антиалиасингового фильтра в расчете не учитывался (формула 1).

$$E_{nOPA376}=e_{nOPA365}\times G_{OPA}\sqrt{K_{n} \times f_{C}}=7.2 \frac{\:нВ}{\sqrt{Гц}} \times 1\frac{В}{В}\sqrt{1.57\times 50\:МГц}=63.8\:мкВ(V_{RMS})\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Рис. 82. Общий шум схемы

Рис. 82. Общий шум схемы

Значение enOPA365 взято из документации. Расчетное и смоделированное значения шума практически совпадают. Небольшое отклонение объясняется неточным указанием полосы пропускания в модели OPA365. Для получения подробной информации по шумам АЦП следует обратиться к Calculating the Total Noise for ADC Systems.

Используемые компоненты

Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 63.

Таблица 63. Описание компонентов, используемых в схеме

Наименование Основные характеристики
ADS8319 16-битный малопотребляющий и компактный АЦП с последовательным интерфейсом и частотой дискретизации 500 ksps
OPA365 Операционный усилитель с полосой пропускания 50 МГц, высоким CMRR, однополярным питанием, низким уровнем искажении

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Способ прямого согласования входа АЦП ПП (SAR) без буферного усилителя
  2. Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная несимметричная схема с двумя источниками питания на 3,3 В при 1 ksps
  3. Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная, несимметричная схема с одним источником питания на 3,3 В, 1 ksps
  4. Цепь контроля высоковольтной аккумуляторной батареи на основе 18-разрядного дифференциального АЦП
  5. Схема преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный с использованием дифференциального усилителя
  6. Схема истинно дифференциального аттенюатора аналогового входного блока с высокоимпедансным входом для SAR АЦП
  7. Схема расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП
  8. Входной узел для обработки сигналов с большими значениями синфазной и дифференциальной составляющих
  9. Схема мониторинга аккумулятора с высокой токовой нагрузкой: 0…10 A, 0…10 кГц, 18 бит
  10. Усилитель с малым током смещения для АЦП последовательного приближения
  11. Усилительный каскад на инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах
  12. Усилительный каскад на инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах
  13. Уменьшение влияния внешнего RC-фильтра на погрешность и дрейф коэффициента усиления аналогового фронтэнда (AFE): ±10 В, до 200 кГц, 16 бит

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
ADS8319IBDGST (TI)
ADS8319 (TI)
ADS8319IBDRCT (TI)
ADS8319IDRCT (TI)
ADS8319IBDGSR (TI)
ADS8319IDGSR (TI)
ADS8319IDGST (TI)
ADS8319IBDRCR (TI)
ADS8319IDRCR (TI)
OPA365AIDBVT (TI)
OPA365AID (TI)
OPA365AIDBVTG4 (TI)
OPA365AMDBVTEP (TI)
OPA365AIDBVR (TI)
OPA365AIDG4 (TI)
OPA365AQDBVRQ1 (TI)
OPA365 (TI)
OPA365AIDBVRG4 (TI)
OPA365AIDR (TI)