Аналогово-цифровые преобразователи для промышленных применений

4 июня 2009

Под компактным наименованием «промышленные применения» скрывается множество отраслей промышленности, каждая из которых имеет собственные специфику и особенности. Однако, несмотря на присущие им порой даже контрастные отличия, у них есть и общие особенности. Одна из них заключается в том, что для эффективного управления производственными процессами необходимо применять специальные электронные системы контроля и управления. Такие системы собирают информацию о процессах с помощью датчиков, а для ввода информации с тех датчиков, у которых предусмотрен аналоговый выход, предназначены специальные микросхемы – аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП может быть основан на различных архитектурах, однако в промышленных применениях широкое распространение получили следующие типы преобразователей: сигма-дельта АЦП, АЦП последовательного приближения и конвейерные АЦП. Компания TI предлагает широкий ассортимент таких преобразователей, из которого разработчик сможет выбрать оптимальный по цене и качеству.

 

Сигма-дельта АЦП

Данные АЦП являются современной альтернативой АЦП интегрирующего типа, от которых они изначально унаследовали отличную стойкость к низкочастотному электрическому шуму, что очень важно для многих промышленных применений. Однако свойственное многим сигма-дельта АЦП невысокое быстродействие, которое в принципе допустимо во многих промышленных измерительных устройствах, с запасом компенсируется высокой разрешающей способностью и высокой линейностью передаточной характеристики. Компания TI предлагает сигма-дельта АЦП с разрешением от 12 до 31 бит. Общие технические характеристики некоторых сигма-дельта АЦП TI представлены в таблице 1. Типичными областями их применения являются контрольно-измерительное оборудование низкого и среднего быстродействия, цифровые аудиосистемы, модули аналогового ввода промышленных контроллеров, системы сбора данных.

Таблица 1. Сигма-дельта АЦП Texas Instruments

Наимено
вание1)
Разреша
ющая способ
ность, бит
Частота дискре
тизации, кГц
Количество входных каналов2) Интерфейс Входное напря
жение, В3)
ИОН Нелиней
ность, %
Потребля
емая мощность, мВт
Корпус
ADS1281 31 4 1 Послед., SPI 5 Внеш. 0,00006 12 TSSOP-24
ADS1282 31 4 1 Послед., SPI 5, PGA (1…64) Внеш. 0,00006 27 TSSOP-28
ADS1672 24 625 1 Послед. +5 Внеш. 0,0003 350 TQFP-64
ADS1258 24 125 16Н/8Д Послед., SPI 5;±2,5 Внеш. 0,0015 40 QFN-48
ADS1278 24 128 8Д (ОП) Послед., SPI или FSYNC 2,5 Внеш. 0,001 60…600 TQFP-64
ADS1274 24 128 4Д (ОП) Послед., SPI или FSYNC 2,5 Внеш. 0,001 30…300 TQFP-64
ADS1271 24 105 Послед., SPI или FSYNC 2,5 Внеш. 0,0015 35…100 TSSOP-16
ADS1252 24 41 1Н/1Д Послед. 5 Внеш. 0,0015 40 SOIC-8
ADS1256 24 30 8Н/4Д Послед., SPI 5, PGA (1…64) Внеш. 0,001 35 SSOP-28
ADS1255 24 30 2Н/1Д Послед., SPI 5, PGA (1…64) Внеш. 0,001 35 SSOP-20
ADS1253 24 20 4Н/4Д Послед. 5 Внеш. 0,0015 7,5 SSOP-16
ADS1254 24 20 4Н/4Д Послед. 5 Внеш. 0,0015 4 SSOP-20
ADS1251 24 20 1Н/1Д Послед. 5 Внеш. 0,0015 7,5 SOIC-8
ADS1246 24 2 Послед., SPI 5; ±2,5 Внеш. 0,0003 2,56 TSSOP-16
ADS1247 24 2 3Н/2Д Послед., SPI 5; ±2,5 Внеш. 0,0003 2,56 TSSOP-20
ADS1248 24 2 7Н/4Д Послед., SPI 5; ±2,5 Внеш. 0,0003 2,56 TSSOP-28
ADS1158 16 125 16Н/8Д Послед., SPI 5; ±2,5 Внеш. 0,0045 42 QFN-40
ADS1174 16 52 4 Послед., SPI или FSYNC 2,5 Внеш. 0,0045 135 HTQFP-64
ADS1178 16 52 8 Послед., SPI или FSYNC 2,5 Внеш. 0,0045 245 HTQFP-64
ADS1112 16 0,24 3Н/2Д Послед., I2C 2,048, PGA (1…8) Внут. 0,01 0,7 MSOP-10, SON-10
ADS1110 16 0,24 1Н/1Д Послед., I2C 2,048, PGA (1…8) Внут. 0,01 0,7 SOT23-6
ADS1100 16 0,128 1Н/1Д Послед., I2C VDD, PGA (1…8) Внеш. 0,0125 0,3 SOT23-6
ADS1000 12 0,128 1Н/1Д Послед., I2C VDD, PGA (1…8) Внеш. 0,0125 0,3 SOT23-6
Примечания: 1.   Красным цветом выделены новинки, синим – находящиеся в разработке ИС
2. «Н» указывает на то, что приведенное число каналов являются несимметричными, а «Д’» – что дифференциальными. «ОП» отмечает поддержку функции одновременного преобразования нескольких каналов.
3. «PGA» указывает на наличие во входном каскаде АЦП программируемого усилителя. В скобках указан диапазон программирования коэффициента усиления.

 

Помимо разрешающей способности АЦП различаются быстродействием преобразования, количеством входных каналов и их электрическими характеристиками, интерфейсами управления и вывода результата преобразования, логикой управления преобразованиями, типом корпуса и прочими особенностями. Большинство многоканальных мультиплексированных АЦП могут работать в несимметричном или дифференциальном режиме входов, что повышает гибкость их применения. Например, 24-битный АЦП ADS1258 оснащен мультиплексором, который позволяет подключить ко входу АЦП либо 8 дифференциальных, либо 16 несимметричных сигналов. В состав некоторых АЦП, как, например, ADS1282, входит программируемый усилитель (PGA). Наличие PGA позволяет существенно расширить динамический диапазон АЦП, делая возможной прямую оцифровку слабых сигналов, например, температуры термопар, часто применяемых в промышленных системах контроля. Максимальную гибкость по конфигурации входов представляют оснащенные PGA многоканальные АЦП. Такие АЦП позволяют программно настроить входной диапазон для каждого канала и, за счет этого, напрямую подключиться к различного рода источникам сигналов. Среди представленных в таблице 1 АЦП есть два преобразователя, которые поддерживают одновременное преобразование каналов. Речь идет о ADS1274 и ADS1278. У них вместо мультиплексирования каналов предусмотрены отдельные дельта-сигма модуляторы и фильтры в каждом канале, т.е., по сути, они интегрируют в одном корпусе несколько АЦП с общим интерфейсом управления и вывода данных.

Что касается интерфейса вывода данных, то здесь пользователю доступны все наиболее популярные последовательные интерфейсы: от самого простого, по типу сдвигового регистра, до более продвинутых интерфейсов SPI и I2C. Некоторые АЦП, в том числе ориентированные на цифровые аудиоприменения (например, ADS1274/8), в дополнение к SPI поддерживают опциональный протокол FRAME SYNC (FSYNC).

При совместной работе АЦП с микроконтроллером (МК) наличие последовательного интерфейса позволяет по минимуму расходовать линии ввода-вывода МК. Однако бывают ситуации, когда бюджет свободных линий ввода-вывода жестко ограничен. В таких случаях может помочь наличие у некоторых АЦП порта расширения ввода-вывода. К числу таких АЦП относятся ADS1255/56/58.

Рассмотрим возможности одного из представленных в таблице АЦП – ADS1258 [1] в качестве примера. Данный АЦП предназначен для 24-битного преобразования 16 несимметричных или 8 дифференциальных сигналов с быстродействием до 23,7 кГц/канал (т.е. время оцифровки всех 16 каналов составляет менее 700 мкс). Сигналы могут быть как однополярными, так и двухполярными. Функциональная схема АЦП представлена на рисунке 1.

 

Функциональная схема АЦП ADS1258

 

Рис. 1. Функциональная схема АЦП ADS1258 

Преобразователь интегрирует множество узлов, делающих его применение особенно гибким. Например, на вход АЦП могут быть поданы не только коммутируемые мультиплексором несимметричные и дифференциальные сигналы, но и ряд внутренних сигналов, в том числе напряжение питания, напряжение встроенного датчика температуры и внешнее опорное напряжение. Внутренняя схема коммутации также предусматривает соединение входов АЦП и подключение их к фиксированному уровню. Это позволяет в реальном времени выполнять измерение смещения входа АЦП и в дальнейшем программно компенсировать это смещение. При необходимости входы АЦП и выходы мультиплексора могут быть соединены внешней схемой аналоговой обработки. Интересной особенностью АЦП является наличие у него опциональных источников тока на каждом входе мультиплексора. Величина тока задается программно (1,5 или 24 мкА). Данная возможность позволяет существенно снизить количество внешних компонентов и себестоимость конечного решения в применениях, где реализуются такие функции как, например, опрос резистивных датчиков, аналоговая конфигурация схемы с помощью резисторов и диагностика подключения источников сигнала. ADS1258 содержит собственный ИОН, однако он не служит полноценной заменой внешнему ИОН, так как достижение истинной 24-битной разрешающей способности – это вызов не только схеме АЦП, но и его источнику опорного напряжения. Назначение встроенного ИОН в данном случае – диагностика внешнего опорного напряжения. С его помощью система может судить о качестве работы внешнего ИОН и в случае его ухудшения (исчезновение напряжения или выход за пределы диапазона) – принять соответствующие меры, например, заблокировать выполнение каких-либо функций, влияющих на безопасность применения системы.

 

АЦП последовательного приближения

АЦП данного типа можно назвать «рабочей лошадкой» в критичных к стоимости системах с разрешающей способностью дискретизации от 8 до 16 бит и частотой дискретизации до 1…5 МГц. Типичные области применения: встраиваемые системы управления, устройства управления электродвигателями, устройства автоматики, робототехника, обработка сигналов в реальном времени, устройства с батарейным питанием. Среди рассматриваемых здесь архитектур АЦП последовательного приближения при прочих равных условиях обеспечивают лучшие значения времени преобразования и энергопотребления. Сведения по некоторым, рекомендованным для использования в промышленных применениях, АЦП последовательного приближения TI представлены в таблице 2.

Таблица 2. АЦП последовательного приближения компании Texas Instruments 

Наимено
вание1)
Разреша
ющая способ
ность, бит
Частота дискрети
зации, кГц
Количество входных каналов2) Интерфейс Входное напря
жение, В
ИОН Нелинейн
ость %
SINAD, дБ Потребляе
мая мощность, мВт
Корпус
ADS8320 16 100 1Н, 1ПД Послед., SPI VREF Внеш. 0,012 84 1,95 VSSOP-8
ADS8325 16 100 1Н, 1ПД Послед., SPI VREF Внеш. 0,006 91 2,25 VSSOP-8, QFN-8
ADS8321 16 100 Послед., SPI ±VREF Внеш. 0,012 84 5,5 VSSOP-8
ADS8317 16 250 Послед., SPI ±VREF Внеш. 0,0022 89,5 6 VSSOP-8, QFN-8
ADS8326 16 250 1Н, 1ПД Послед., SPI VREF Внеш. 0,0022 91 6 VSSOP-8, QFN-8
ADS8515 16 250 Парал., 16 бит ±10 Внут./ Внеш. 0,0022 92 100 SSOP-28
ADS8519 16 250 Послед., SPI +4; 10 ±3,3; 5; 10 Внут./ Внеш. 0,0022 91 100 SSOP-28
ADS7280 14 1000 Послед., SPI VREF Внеш. 0,0061 85,7 13,7 TSSOP-16, QFN-16
ADS7279 14 1000 Послед., SPI VREF Внеш. 0,0061 85,7 15,5 TSSOP-16
ADS7883 12 3000 Послед., SPI VDD Внеш. (VDD) 0,03 72 15 SOT23-6
ADS7863 12 2000 2×2Д Послед., SPI ±2,5 Внут./ Внеш. 0,003 71 13,5 SSOP-24, QFN-24
ADS7230 12 1000 Послед., SPI VREF Внеш. 0,0122 73,7 13,7 TSSOP-16, QFN-16
ADS7229 12 1000 Послед., SPI VREF Внеш. 0,0122 73,7 15,5 TSSOP-16
ADS7953 12 1000 16Н Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,024 71,3 12,5 TSSOP-38
ADS7952 12 1000 12Н Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,024 71,3 12,5 TSSOP-38
ADS7951 12 1000 Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,024 71,3 12,5 TSSOP-30
ADS7950 12 1000 Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,024 71,3 12,5 TSSOP-30
ADS7884 10 3000 Послед., SPI VDD Внеш. (VDD) 0,781 61,7 15 SOT23-6
ADS7957 10 1000 16Н Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,078 60 12,5 TSSOP-38
ADS7956 10 1000 12Н Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,078 60 12,5 TSSOP-38
ADS7955 10 1000 Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,078 60 12,5 TSSOP-30
ADS7954 10 1000 Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,078 60 12,5 TSSOP-30
ADS7885 8 3000 Послед., SPI VDD Внеш. (VDD) 0,156 49,8 15 SOT23-6
ADS7961 8 1000 16Н Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,112 49 12,5 TSSOP-38
ADS7960 8 1000 12Н Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,112 49 12,5 TSSOP-38
ADS7959 8 1000 Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,112 49 12,5 TSSOP-30
ADS7958 8 1000 Послед., SPI VREF (2,5) Внеш. 0,112 49 12,5 TSSOP-30
Примечания:
1. Красным цветом выделены новинки.
2. «Н» указывает на то, что приведенное число каналов являются несимметричными, «Д» – дифференциальными, а «ПД» – псевдодифференциальными.

Весомая часть этой таблицы занята семейством многоканальных 8…12-битных микромощных АЦП ADS79xx [2]. Данные АЦП характеризуются частотой дискретизации до 1 МГц, частотой синхронизации последовательного интерфейса до 20 МГц, напряжением питания 2,7…5,5 В и типичным потреблением 14,5 мкВт. На рисунке 2 представлена функциональная схема преобразователей ADS79xx.

 

Функциональная схема АЦП ADS79xx

 

Рис. 2. Функциональная схема АЦП ADS79xx 

На рисунке видно, что выход мультиплексора и вход АЦП внутренне не соединены, а выведены на отдельные выводы. Это позволяет включить между этими выводами дополнительную схему аналоговой обработки, например, программируемый усилитель. В таком случае, для программирования усиления могут быть задействованы имеющиеся у ADS79xx линии ввода-вывода общего назначения. Логикой управления микросхем поддерживаются три режима задания очередности преобразования каналов. В ручном режиме подлежащий очередному преобразованию канал задается программно. В первом автоматическом режиме соблюдается запрограммированная заранее очередность преобразования каналов, а во втором – преобразования выполняются в очередности от канала 0 до заданного предварительно последнего канала. Еще одной полезной особенностью рассматриваемых АЦП является интеграция в них блока сравнения результата преобразования каждого канала с двумя программируемыми порогами (нижний и верхний пороги). Результат сравнения можно опросить не только программно, но и аппаратно. Для этого нужно задействовать альтернативные функции линий ввода-вывода как выходов блока сравнения. Если такой выход соединить со входом внешнего прерывания МК, можно добиться быстродействующего реагирования на события, способные повлиять на надежность или безопасность работы системы, например, на перегрев, перегрузку, перенапряжение, недопустимое снижение напряжения, физическое вмешательство и т.п. К числу других альтернативных функций линий ввода-вывода относятся: вход управления включением/отключением, позволяющий снизить потребление ИС до 1 мкА, и вход задания диапазона преобразования (2,5 или 5,0 В). Для программирования ИС используется популярный интерфейс SPI.

 

Конвейерные АЦП

У таких АЦП процесс преобразования разбит на стадии. За выполнение каждой стадии отвечают независящие друг от друга, но синхронизированные между собой ступени конвейера. Благодаря этому новое преобразование можно начать сразу после освобождения первой ступени конвейера, не дожидаясь завершения всего преобразования. В результате конвейерные АЦП достигают высокой производительности преобразований (от единиц мегагерц до единиц гигагерц), но время преобразования при этом ограничивается, так как любой конвейер привносит запаздывание. Конвейерные АЦП используются в применениях, где требуется высокое быстродействие оцифровки данных, в том числе, в лабораторном контрольно-измерительном оборудовании (осциллографы, анализаторы спектра), диагностическом оборудовании, оцифровке видеосигналов, средствах связи, телекоммуникационных системах. Компания TI выпускает множество конвейерных АЦП с производительностью оцифровки от 1 до 550 МГц и разрешающей способностью от 8 до 16 бит. Полный перечень выпускаемых TI конвейерных АЦП, а также других типов АЦП, можно получить по ссылке http://dataconverter.ti.com/.

 

Заключение

Ассортимент АЦП TI, выполненных по различным архитектурам, с различной конфигурацией, с заложенными в них идеями и подходами по достижению различного соотношения рабочих характеристик и функциональных возможностей, дает возможность подобрать идеальное изделие для использования в электронных системах промышленного назначения с учетом соответствия каждому конкретному набору требований. Подбор такого изделия можно упростить, если воспользоваться параметрическим поиском, доступным по ссылке dataconverter.ti.com. Кроме того, TI предлагает бесплатную программу ADCPro (www.ti.com/adcpro), которая позволяет оценить работу АЦП при поступлении на его вход виртуального сигнала. Источником такого сигнала может служить либо виртуальный функциональный генератор, либо файл с данными. Данная программа также может взаимодействовать с выпускающимися TI оценочными наборами АЦП.

 

Литература

1. 16-Channel, 24-Bit Analog-to-Digital Converter ADS1258//Datasheet, lit. num. SBAS297E, Texas Instruments, June 2005 (revised October 2007). – 51 p.

2. 12/10/8-Bit, 1 MSPS, 16/ 12/ 8/ 4-Channel, Single-Ended, MicroPower, Serial Interface ADCs ADS7950, ADS7951, ADS7952, ADS7953, ADS7954, ADS7955, ADS7956, ADS7957, ADS7958, ADS7959, ADS7960, ADS7961//Datasheet, lit. num. SLAS605, Texas Instruments, June 2008. – 44 p.

3. ADS1672EVM and ADS1672EVM-PDK//User’s Guide, lit. num. SBAU147, Texas Instruments, March 2009. – 34 p.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: analog.vesti@compel.ru

 

PLUG&PLAY

Пример применения:

В качестве примера рассмотрим применение сигма-дельта АЦП ADS1672. Данный преобразователь примечателен тем, что при 24-битной разрешающей способности он обладает несвойственным для традиционной сигма-дельта архитектуры быстродействием – частота дискретизации может достигать 625 кГц. Типичными областями применения такого АЦП являются автоматическое испытательное оборудование, контрольно-измерительные системы, средства вибродиагностики, гидролокационное оборудование и др. Представленная на рисунке 3 схема включения этого АЦП является частью оценочного набора ADS1672EVM [3].

 

Аналоговый тракт схемы включения ADS1672

 

Рис. 3. Аналоговый тракт схемы включения ADS1672

В этой схеме входной каскад АЦП дополнен широкополосным полностью дифференциальным усилителем THS4520. Выбор этого усилителя обусловлен его скоростью нарастания напряжения (570 В/мкс), временем установления (7 нс до уровня напряжения с отклонением 0,1%), низким шумом (2 нВ/Гц) и малым гармоническим искажениям (HD3 [100 кГц] = 123 dBc). Непосредственно на входах подключения внешнего дифференциального сигнала –IN/+IN предусмотрены согласовывающие резисторы (R3 = R6 = 49,9 Ом). Помимо этих компонентов, обязательными на входе усилителя являются резисторы R8, R10 (383 Ом) и конденсатор С55 (750 пФ). Остальные элементы являются опциональными. В частности, резисторы R53, R54 могут использоваться при необходимости смещения дифференциальных входов усилителя фиксированным напряжением. Между выходом усилителя и входом АЦП установлена RC-цепь (R56, R15, C18, R55 и R14), которая функционирует в качестве сглаживающего фильтра первого порядка (частота излома АЧХ 10,6 МГц). Конденсаторы С10, С14 – опциональные. Входы опорного напряжения ADS1672 содержат динамически изменяющуюся емкостную нагрузку, поэтому прямое подключение к внешнему ИОН приведет к существенному ухудшению результирующих характеристик преобразования. Данная особенность обуславливает наличие в схеме буферного усилителя внешнего опорного напряжения. Здесь, напряжение 3-вольтового ИОН REF5030 поступает сначала на вход схемы, выполненной на ОУ OPA211 (U4), а с её выхода – на вход опорного напряжения АЦП. Данная схема, помимо буферизации, выполняет функцию фильтрации опорного напряжения. Это необходимо для того, чтобы шумовая составляющая в опорном напряжении была намного меньше собственного шума АЦП и, как следствие, не влияла на результат преобразования. Конденсаторы С23, С24 устанавливаются как можно ближе ко входу опорного напряжения АЦП, а благодаря их совместной работе с ОУ OPA211 достигается установление опорного напряжения с точностью ±1/2 м.з.р. за 50 нс, что вполне приемлемо, если учесть, что частота коммутации конденсатора на входе опорного напряжения составляет 20 МГц. Также необходимо обратить внимание, что для наглядности на схеме не показаны элементы обработки питания, цифровой тракт и прочие вспомогательные элементы. Подробную схему включения АЦП ADS1672 можно найти в [3].

 

 

 

•••

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 компонен ...читать далее