Быстродействие? Экономичность? Высокое разрешение? – АЦП от Texas Instruments

23 ноября 2010

Компания Texas Instruments производит АЦП для широкого спектра применений:

  • АЦП с малой частотой дискретизации (до 100кГц) и высокой разрешающей способностью используются в основном в промышленных датчиках физических величин. Большинство промышленных датчиков температуры, давления, силы и потока используются для измерения медленно меняющихся параметров в статических режимах.
  • АЦП со средними частотами дискретизации (до 4МГц) применяются в акустических системах с цифровой обработкой сигналов, системах сбора данных, промышленных контроллерах, системах управления технологическими процессами, системах управления двигателями, системах контроля питания. При этом разрешающей способности 12…16 бит вполне достаточно для обеспечения требуемого функционала устройства.
  • В приложениях с высокими частотами дискретизации (до 1000МГц), высокоскоростных системах цифровой обработки сигналов, портативной высокоскоростной контрольно-измерительной технике, быстродействующих системах управления, телекоммуникациях, осциллографах, фототехнике и управлении двигателем основным требованием к АЦП является высокая скорость преобразования.

Основными типами АЦП, выпускаемыми компанией Texas Instruments, являются: АЦП последовательного приближения (SAR), Сигма-дельта АЦП (DS), конвейерные АЦП (pipeline).

На рисунке 1 представлено соответствие скорости преобразования и разрешающей способности для трех основных типов интегральных аналого-цифровых преобразователей.

 

Распределение типов АЦП по скорости и разрешающей способности

 

Рис. 1. Распределение типов АЦП по скорости и разрешающей способности

На рисунке 2 показаны основные области применения трех наиболее популярных типов интегральных аналого-цифровых преобразователей.

 

Области применения различных типов АЦП

 

Рис. 2. Области применения различных типов АЦП

Рассмотрим критерии выбора интегральных аналого-цифровых преобразователей.

 

Критерии выбора сигма-дельта АЦП

Архитектура сигма-дельта АЦП позволяет уменьшить погрешность, вносимую шумами. При этом можно повысить разрешающую способность за счет усреднения результатов измерений. Сигма-дельта преобразователь измеряет входной сигнал в течение определенного времени и формирует цифровой код, соответствующий среднему значению сигнала за это время.

Основные узлы АЦП — это сигма-дельта модулятор, цифровой фильтр и дециматор. На рисунке 3 представлена обобщенная схема упрощенного сигма-дельта АЦП.

 

Структура сигма-дельта АЦП

 

Рис. 3. Структура сигма-дельта АЦП

Преобразователи сигма-дельта могут иметь очень высокое разрешение и прекрасно подходят для преобразования сигналов в широком диапазоне частот от постоянного тока до нескольких мегагерц. Входной сигнал в сигма-дельта АЦП передискретизируется модулятором, затем фильтруется цифровым фильтром и прореживается дециматором. В результате получается поток данных с высоким разрешением и пониженной частотой дискретизации.

Сигма-дельта АЦП обычно применяются в приложениях, где разрешающая способность аналого-цифрового преобразования является главным параметром. Номенклатура сигма-дельта АЦП компании Texas Instruments (TI) включает в себя преобразователи с разрешающей способностью от 12 до 31 бит. Частоты дискретизации сигма-дельта АЦП варьируются от 8 до 128 тыс. преобразований в секунду. К преобразователям с архитектурой сигма-дельта относятся серии АЦП ADS10xx, ADS11xx, ADS12xx, ADS16xx.

Как правило, интегральные сигма-дельта АЦП имеют в своем составе различные периферийные устройства: программируемые усилители, источники тока, источники опорного напряжения, входные буферы, мультиплексоры, а также различные наборы коммуникационных интерфейсов: последовательный интерфейс, SPI, UART, I2C.

Для приложений, где необходимо малое энергопотребление, малый размер корпуса для улучшения трассировочной способности, малая стоимость АЦП, но при этом не требуется высокая разрешающая способность, компания TI производит следующие серии сигма-дельта АЦП: ADS111x, ADS101x, ADS120x. Эти серии АЦП отличаются пониженным энергопотреблением (до 200 мкА при 23°С), малым размером корпусов, а некоторые модели имеют несколько входных каналов. Ряд моделей содержит лишь сигма-дельта модулятор и выходной цифровой интерфейс (ADS1013 и ADS1113). Цифровую фильтрацию в таких случаях реализует сам разработчик программным способом. Скорость преобразований варьируется от 8 до 40000 преобразований в секунду, разрешающая способность — от 12 до 16 бит.

К примеру, в состав ADS1115 входят программируемый компаратор, входной мультиплексор, программируемый усилитель, внутренний источник тактирования, внутренний источник опорного напряжения, четыре несимметричных или два дифференциальных входа, выходной интерфейс I2C. Скорость преобразований ADS1115 настраивается программно и варьируется в пределах от 8 до 860 преобразований в секунду.

На рисунке 4 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП ADS1115.

 

Структурная схема ADS1115

 

Рис. 4. Структурная схема ADS1115

Для построения прецизионных измерительных схем компания TI разработала следующие АЦП: ADS128x, ADS1259, ADS1278. АЦП этих серий отличаются высокой разрешающей способностью (от 16 до 32 бит), высоким отношением сигнал/шум (130 дБ), малым временем ожидания данных (42 мкс/канал), и имеют до восьми входных каналов. ADS1282 имеет в своем составе малошумящий программируемый усилитель, двухканальный входной мультиплексор, программируемый фильтр верхних частот, SPI. Разрешение составляет 31 бит, а скорость преобразования — от 250 преобразований в секунду до 4 тыс. преобразований в секунду.

Приложения, требующие широкой полосы пропускания, могут быть построены с использованием серии ADS16xx. Эти АЦП специально разработаны для работы в подобных системах, где при этом важным критерием также является разрешающая способность. АЦП этой серии имеют разрешающую способность от 16 до 24 бит и скорость преобразования до 10 млн. преобразований в секунду.

Для интегрирования в различные системы компания TI производит АЦП со специальным набором периферии, например, АЦП для интегрирования в систему управления двигателем (AMC12xx), а также серии АЦП для интеграции в измерительные системы и устройства ADS124x, ADS123x. Скорость преобразования этих серий лежит в диапазоне от нескольких до 40 тыс. преобразований в секунду, а разрешающая способность достигает 24 бит.

 

Критерии выбора АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения (SAR) работает по принципу весов. В преобразователе последовательного приближения в роли неизвестного веса выступает входной сигнал, из которого происходит выборка и хранение. Затем это напряжение сравнивается с последующими известными значениями напряжения, и результаты выводятся преобразователем. В отличие от весов преобразование происходит очень быстро посредством перераспределения заряда. Поскольку АЦП ПП делает выборку входного сигнала и хранит измеренное значение до завершения преобразования, сигнал не обязательно должен быть непрерывным.

На рисунке 5 изображена структурная схема АЦП последовательного приближения.

 

Структурная схема АЦП последовательного приближения

 

Рис. 5. Структурная схема АЦП последовательного приближения

На рисунке 6 представлена временная диаграмма работы АЦП последовательного приближения.

 

Временная диаграмма работы АЦП последовательного приближения

 

Рис. 6. Временная диаграмма работы АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения (ПП) нашли свое применение в системах, где разрешающая способность до 18 бит является достаточной. АЦП ПП являются более бюджетным вариантом по сравнению с сигма-дельта АЦП благодаря хорошо отработанной и недорогой технологии производства. Компания TI производит АЦП ПП для различных применений с частотой дискретизации до 4 млн. операций в секунду и разрешением от 8 до 18 бит. АЦП ПП фирмы TI применяются в системах управления технологическими процессами, системах управления двигателями, системах контроля цепей питания, системах координатного перемещения и системах управления качеством питания.

В приложениях, где точность является важным критерием, компания TI предлагает линейку прецизионных АЦП с частотой преобразования до 4 млн. операций в секунду, и разрешающей способностью до 18 бит: ADS8422, ADS8284, ADS788x. Отличительные особенности этой линейки преобразователей заключаются в сохранении высокой точности преобразования при работе на высоких скоростях преобразования.

Для использования в приложениях, где требуется синхронное (одновременное) преобразование данных, компания TI выпускает серии АЦП ПП, представляющие собой микросхемы с интегрированными многоканальными АЦП: ADS786x, ADS836x. Такие АЦП используются в системах управления двигателем, контроля трехфазных цепей питания, трехмерного позиционирования и т.п. Разрешение АЦП этих серий варьируется от 12 до 16 бит, а скорость преобразования достигает 0,5 млн. операций в секунду.

Для малогабаритных приложений и приложений, предъявляющих требования к стоимости АЦП, TI предлагает линейки экономичных АЦП: ADS7229, ADS795x, ADS8317, ADS833x. Отличительными особенностями этих серий являются низкая стоимость, малые размеры корпуса, малое энергопотребление.

 

Критерии выбора АЦП конвейерного типа

Конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала позволяет найти оптимальный компромисс между разрядностью, быстродействием и сложностью топологии АЦП. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого кода. На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выходного цифрового значения.

На рисунке 7 представлена структурная схема АЦП конвейерного типа.

 

Структурная схема АЦП конвейерного типа

 

Рис. 7. Структурная схема АЦП конвейерного типа

Аналого-цифровые преобразователи конвейерного типа являются подклассом параллельных АЦП и используются в высокоскоростных приложениях. Обычно разрешающая способность таких АЦП не превышает 16 разрядов. Это связано с повышением стоимости и времени преобразования при увеличении разрешающей способности. В номенклатуре компании TI имеется широкий выбор АЦП конвейерного типа для применений в различных областях: телекоммуникации, обработка видеосигнала, научные исследования и т.п. Скорость преобразования АЦП компании TI достигает 1Ч109 преобразований в секунду. Разрешающая способность варьируется в пределах от 8 до 18 бит.

Для приложений, где главными критериями являются невысокая стоимость, малогабаритный корпус и малое потребление, у компании TI имеется серия малопотребляющих высокоскоростных АЦП ADS52xx. Разрешающая способность этой серии варьируется от 10 до 12 бит, а скорость преобразования — от 40 до 70 млн. преобразований в секунду. Эта серия АЦП используется в устройствах телекоммуникации, обработки изображений, в медицинской технике.

Серии АЦП ADS4xxx, ADS6xxx, ADS55xx являются высокоскоростными преобразователями с низким потреблением и разрешающей способностью до 16 бит. Отличительными особенностями данных линеек АЦП являются высокая точность преобразования, высокое соотношение сигнал/шум и малое потребление. Они нашли применение в телекоммуникациях, обработке изображения, портативной контрольной аппаратуре и пр. Скорость преобразования АЦП этих серий доходит до 250 млн. операций в секунду.

Для высокоскоростных преобразований (до 1000 млн. операций в секунду) TI выпустила серию высокоскоростных конвейерных АЦП с высокой точностью преобразования ADS54xx. Такие АЦП находят свое применение в высокоскоростной контрольно-измерительной аппаратуре (осциллографы, логические анализаторы).

К примеру, АЦП конвейерного типа ADS5485 содержит входной буфер с высоким входным импедансом, LVDS-совместимый выходной интерфейс, и имеет скорость преобразования 200 млн. в секунду и разрешающую способность 16 бит.

На рисунке 8 изображена структурная схема АЦП конвейерного типа ADS5485.

 

Структурная схема ADS5485

 

Рис. 8. Структурная схема ADS5485

Для корректного выбора АЦП недостаточно знать только быстродействие и разрядность преобразователя. Преобразователи с одинаковой разрешающей способностью и частотой могут произвести преобразование сигнала по-разному. Поэтому при выборе АЦП необходимо проводить детальный анализ метрологических характеристик, параметров, указанных в документации к конкретному преобразователю. К метрологическим характеристикам, требующим внимания, относятся аддитивная погрешность (Offset Error), мультипликативная погрешность (Gain Error), дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL), SFDR (динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих), отношение сигнал/шум (SNR), коэффициент гармонических искажений (THD), коэффициент гармонических искажений плюс шум (THD+N), отношение сигнал/шум плюс искажения (SINAD), эффективное количество бит (ENOB).

Texas Instruments производит для самых разных областей применения более пятисот различных АЦП, которые могут использоваться в большинстве современных приложений.

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

 

 

 

 

•••

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