АЦП азиатских производителей. Часть 2. Σ-Δ АЦП

24 июля

Дмитрий Илларионов (г. Нижний Новгород)

КОМПЭЛ представляет серию публикаций, посвященных азиатским АЦП, их ценовым и функциональным преимуществам и ограничениям. В каждом материале мы будем подробно рассматривать те или иные типы преобразователей, рассказывать о конкретных моделях и рекомендованных производителях, а также отмечать нюансы применения. 

В серию войдут следующие материалы: 

Часть 1. Преобразователи последовательного приближения (SAR)

Часть 2. Σ-Δ преобразователи (Delta-Sigma)

Часть 3. Многоканальные АЦП с одновременным преобразованием (Simultaneous Sampling)

Часть 4. Преобразователи с низкой разрешающей способностью

Часть 5. Изолированные Σ-Δ модуляторы

Часть 6. Аудио-АЦП

Аналогово-цифровые преобразователи типа «сигма-дельта» (далее СД или ΣΔ) – один из наиболее востребованных сегодня типов АЦП, которые обычно применяются в приложениях, где не требуются большие часто́ты дискретизации, но необходимо высокое разрешение оцифрованного сигнала. Данные микросхемы включают в себя две основные части: модулятор и цифровой прореживающий фильтр (рисунок 1).

Рис. 1. Структурная схема Σ-Δ АЦП

На выходе Σ-Δ модулятора формируется непрерывный цифровой поток, в котором количество единиц на определенном интервале времени t_ИЗМ прямо пропорционально уровню аналогового сигнала на входе АЦП. Данный поток пропускается через цифровой ФНЧ, который преобразует однобитную цифровую последовательность в выходной код разрядности M. Чем больше требуемое значение «М», тем больше импульсов должен пропустить через себя фильтр за интервал t_ИЗМ, поэтому для увеличения разрядности АЦП при сохранении скорости оцифровки сигнала необходимо повышать частоту работы модулятора Kf_S. Реальные преобразователи Σ-Δ имеют разрешение 16…32 бит, при этом частота выдачи выборок f_S обычно лежит в пределах от единиц герц до десятков килогерц. Благодаря таким характеристикам они наиболее часто используются для измерения сигналов с первичных преобразователей и датчиков физических величин, а так же в высокоточных системах сбора данных, медицине и испытательном оборудовании.

Важно отметить, что за счет использования ΣΔ-модулятора и высокой скорости его работы Σ-Δ АЦП обеспечивают гораздо большее отношение «сигнал/шум» в спектральной области f_S/2, чем другие виды преобразователей (рисунок 2).

Рис. 2. Соотношение «сигнал/шум» у Σ-Δ АЦП

Кроме того, они предъявляют гораздо менее жесткие требования к ФНЧ, устанавливаемому между исходным сигналом и входом АЦП, что в ряде случаев позволяет использовать здесь обычные RC-цепи. А благодаря специальной форме частотной характеристики цифрового фильтра, подавляющее большинство ΣΔ-преобразователей позволяют существенно ослабить наводки с частотой 50 Гц и/или 60 Гц, вызываемые электрической сетью.

Количество Σ-Δ АЦП, предоставляемых китайскими производителями, достаточно велико – на графике «Разрядность-Скорость оцифровки» можно увидеть диапазон доступного ассортимента всех преобразователей (рисунок 3).

Рис. 3. Разрядность и скорость оцифровки доступных Σ-Δ АЦП китайского производства

При этом разработчику доступны как одноканальные, так и многоканальные АЦП в широком диапазоне соотношений параметров «разрядность/скорость оцифровки», характерном для рассматриваемого класса микросхем. Перечень производителей аналогово-цифровых преобразователей типа Σ-Δ, рекомендованных компанией КОМПЭЛ, приведен на рисунке 4.

Рис. 4. Рекомендованные компанией КОМПЭЛ китайские производители Σ-Δ АЦП

Как видно из приведенной таблицы, одним из лидеров в этом сегменте является компания Ruimeng. На данный момент в арсенале производителя есть более 30 моделей Σ-Δ АЦП, имеющих разрядность от 15 до 32 бит и позволяющих оцифровывать аналоговые сигналы на скоростях 15…4000 выборок в секунду (таблица 1). Количество входных каналов преобразователей колеблется от 1 до 6, при этом есть в наличии микросхемы как с дифференциальным входом, так и с несимметричным. Все представленные АЦП обладают достаточно низким энергопотреблением и позволяют работать в широком диапазоне питающих напряжений (некоторые поддерживают двухполярное питание):

Таблица 1. Σ-Δ АЦП Ruimeng

В качестве примера продукции компании Ruimeng рассмотрим Σ-Δ преобразователи, наиболее популярные у наших покупателей – MS5192T и MS5193T. Данные микросхемы предназначены для работы в высокоточных измерительных системах, в частности – для измерения сигналов с датчиков физических величин (RTD, термопары, тензодатчики и т.д.). Благодаря наличию встроенного малошумящего усилителя на вход АЦП можно напрямую подавать сигналы малой амплитуды, что уменьшает стоимость устройства, так как при этом не требуется использование внешних согласующих элементов. Микросхемы MS5192T и MS5193T (рисунок 5) отличаются только разрешением, остальные характеристики у них идентичны (здесь и далее FSR или Full Scale Range – полный входной диапазон АЦП):

MS5192T/MS5193T

Рис. 5. Структура и характеристики Σ-Δ АЦП MS5192T и MS5193T

Помимо ΣΔ-преобразователя, а также буферного и основного усилителей, в состав микросхем MS5192T и MS5193T входит прецизионный источник опорного напряжения с малым температурным дрейфом, программируемые источники тока, формирователь напряжения смещения и генератор тактовой частоты для Σ-Δ модулятора. Все это позволяет реализовать измерительную систему на базе рассматриваемых АЦП с использованием минимума внешних компонентов. Например, рекомендованная схема измерения температуры с датчиком-термопарой показана на рисунке 6.

Рис. 6. Схема измерения температуры на базе АЦП MS5192T/MS5193T

Микросхемы MS5192T и MS5193T доступны в корпусе TSSOP-16 и являются полными аналогами АЦП Ax7792 и Ax7793 (рисунок 7).

Рис. 7. Назначение выводов MS5192T/MS5193T и аналога

Обратите внимание на то, что в данном случае речь идет о полной взаимозаменяемости компонентов – китайские и западные преобразователи не только повыводно совместимы, но и имеют идентичные электрические характеристики (а в плане шумов MS5192T и MS5193T даже превосходят аналоги).

Еще один интересный продукт от компании Ruimeng – микросхема MS5110 (рисунок 8). Данная микросхема является функциональным аналогом популярного бюджетного 16-битного АЦП AxS1110, повыводно совместима с ним и имеет практически идентичные основные параметры:

MS5110

Рис. 8. Σ-Δ АЦП MS5110

В большинстве случаев АЦП MS5110 может выступать в качестве полноценной замены Ax1110, поскольку численно у них отличаются лишь второстепенные характеристики: точность опорного напряжения, температурный дрейф коэффициента усиления, напряжение смещения и мощность рассеяния. При этом диапазон рабочих температур у китайского преобразователя значительно шире, чем у аналога – его верхняя граница выше на 40°С. Микросхема MS5110 доступна в компактном корпусе SOT-23-6, что позволяет уменьшить место, занимаемое на плате измерительным узлом, особенно с учетом высокой степени интеграции рассматриваемого АЦП.

Еще одним ярким представителем рынка Σ-Δ АЦП является компания AnalogySemi, ассортимент которой насчитывает 36 моделей ΣΔ-преобразователей (таблица 2). Микросхемы данного производителя являются достаточно скоростными (860…60000 выборок в секунду), при этом их разрядность колеблется в широких пределах (12…32 бит):

Таблица 2. Σ-Δ АЦП из ассортимента AnalogySemi

В качестве примера продукции компании AnalogySemi рассмотрим микросхему ADX113 (рисунок 9), представляющую собой 16-битный АЦП, позволяющий оцифровывать входной сигнал на скорости до 860 выборок в секунду в диапазонах от ±256 мВ до ±6,144 В и имеющий интерфейс I²C:

ADX113

Рис. 9. Структура и характеристики АЦП ADX113

Особенностью микросхемы ADX113 является цифровой компаратор, позволяющий отслеживать выход сигнала на входе АЦП за заданные пределы. Отметим также возможность установки четырех адресов устройства на шине I²C при помощи всего одного вывода «ADDR» путем подключения его к общему проводу, питанию, линии «SCL» или линии «SDA». Микросхема ADX113 выпускается в компактных корпусах MSOP-10 и QFN-10 и является Pin-to-Pin-совместимой с популярным бюджетным АЦП AxS1115 (рисунок 10).

Рис. 10. Назначение выводов АЦП ADX113 и аналога

При этом в большинстве случаев ADX113 может выступать прямой заменой AxS1115, так как основные электрические характеристики у них совпадают, небольшие отличия наблюдаются лишь в аналоговом тракте. В цифровой же части китайский преобразователь имеет явное преимущество, поскольку в его состав входит дополнительный фильтр, позволяющий ослаблять сетевые наводки в среднем до 120 дБ.

Завершая тему Σ-Δ АЦП, нельзя не упомянуть компанию SGMicro. В данном сегменте рынка ассортимент у этого производителя не так широк, как у Ruimeng и AnalogySemi, однако в нем присутствуют преобразователи наиболее популярных разрядностей (16 бит и 24 бита), при этом скорость оцифровки сигнала лежит в очень широких пределах (2,5…60000 выборок в секунду). В настоящее время АЦП типа Σ-Δ представлены 13-ю моделями (таблица 3), большинство которых имеют достаточно широкий диапазон питающих напряжений и низкое энергопотребление:

Таблица 3. Σ-Δ АЦП производства SGMicro

Особо выделяются в линейке устройств SGMicro высокоскоростные преобразователи серии SGM5860x, позволяющие получать выборки сигнала с частотой до 60кГц (рисунок 11).

SGM58600/SGM58601/SGM58602

Рис. 11. Структура и характеристики Σ-Δ АЦП SGM5860x

Микросхемы серии SGM5860x являются 24-разрядными малошумящими Σ-Δ АЦП, включающими в себя ΣΔ-модулятор четвертого порядка и фильтр пятого порядка c АЧХ синусоидального типа (Sinc⁵). Данные преобразователи имеют идентичные электрические характеристики и отличаются лишь количеством входных каналов. На входе микросхем SGM5860x установлен мультиплексор, который позволяет не только выбирать тип входного канала, но и подключать к нему буфер, увеличивающий входное сопротивление АЦП. Далее сигнал подается на малошумящий усилитель, коэффициент усиления которого может быть равен 1/2/4/8/16/32/64/128, что программно устанавливается пользователем. Формирование тактовой частоты для модулятора может осуществляться как при помощи встроенного генератора с внешним кварцевым резонатором на 7,68 МГц, так и от внешних тактовых импульсов. Для связи микросхем серии SGM5860x и микроконтроллера используется интерфейс SPI.

Перечень корпусов, в которых доступны преобразователи SGM5860x, приведен в таблице 3. Микросхемы SGM58600 и SGM58601 совместимы по корпусу и выводам с АЦП AxS1255 и AxS1256. При этом в подавляющем большинстве случаев преобразователи китайского производства могут быть использованы как хорошая альтернатива, если будет решен вопрос с разным напряжением питания их цифровой части (у AxS125x значение DVDD должно лежать в диапазоне +1,8…+3,6 В). Отметим, что переход на SGM5860x более чем оправдан, поскольку у них вдвое выше частота выборок и максимальный коэффициент усиления встроенного усилителя, при этом в несколько раз меньше потребление тока и шире температурный диапазон. Сильными сторонами AxS1255 и AxS1256 является интегральная нелинейность и некоторые параметры аналоговой части, однако для большинства приложений разница с SGM5860x здесь не выглядит критической.

В следующей статье мы рассмотрим многоканальные АЦП с одновременным преобразованием.

Дополнительные материалы

1. АЦП азиатских производителей. Часть1. Преобразователи последовательного приближения