Какой аналого-цифровой преобразователь подходит для конкретного приложения?

17 ноября 2017

телекоммуникациисистемы безопасностиавтомобильная электроникаучёт ресурсовсветотехникауправление питаниеммедицинапотребительская электроникаавтоматизацияответственные применениялабораторные приборыMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Стив Логан (Maxim Integrated)

Обилие современных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) ставит разработчика перед непростым выбором.

Интегральные АЦП имеют разрешением 8…24 бит и даже есть несколько 32-битных. Существуют АЦП встроенные в микроконтроллеры, ПЛИСы, микропроцессоры, системы-на-кристалле,  АЦП последовательного приближения (SAR) и сигма-дельта-версии. Конвейерные АЦП используются в тех приложениях где требуется высочайшая скорость выборок. Диапазон скоростей выборок АЦП лежит в пределах от 10 выб/с до свыше 10 Гвыб/с. А разброс цен – от менее $1 до $265 долларов и выше.

Чтобы выбрать наилучший АЦП для вашего приложения, рассмотрим различные типы этих изделий и оптимальные условия применения для их основных типов.

АЦП последовательного приближения – для средних скоростей и «фотографирования» данных

АЦП последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR) выпускаются в широком диапазоне значений разрешения и скорости. Первое, как правило, лежит в пределах 6…8 до 20 бит, вторая же – от нескольких Квыб/с до 10 Мвыб/с. SAR АЦП – хороший выбор для приложений со средним диапазоном скоростей, таких как управление электродвигателем, анализ вибраций, мониторинг производственных процессов. Они не столь быстродействующие, как конвейерные АЦП (которые рассматриваются далее), но их быстродействие выше, чем у сигма-дельта-АЦП (также рассматриваются далее).

Диапазон значений рассеиваемой мощности SAR АЦП напрямую связан с частотой выборки. Например, микросхема, рассеиваемая мощность которой составляет 5 мВт при скорости 1 Мвыб/с, при 1 квыб/с рассеивает 1 мкВт. Таким образом, SAR АЦП достаточно гибкие в плане применения и разработчик может использовать одно наименование для многих приложений.

Еще одно преимущество SAR АЦП: они делают «фотографию» аналогового входного сигнала. SAR-архитектура производит выборку в конкретный момент времени. Когда разработчику может это понадобиться? Когда вам необходимо измерить сразу несколько сигналов, вы можете одновременно делать выборку несколькими одноканальными SAR АЦП или осуществлять одновременную выборку с помощью мультиканального АЦП или нескольких устройств выборки хранения (УВХ, Track-and-hold, T/H-cores) внутри него. Это позволит системе измерять значения нескольких аналоговых сигналов в одно и то же время.

В токовых трансформаторах и трансформаторах напряжения SAR АЦП используются в цепях реализации релейной защиты. С их помощью система защиты одновременно измеряет различные фазы тока и напряжения. В коммунальном сетевом хозяйстве это способствует более эффективному управлению энергосетями.

Сигма-дельта-АЦП – для большей точности

Если вам необходима повышенная точность за счет более высокого уровня семплирования или максимальное значение эффективного количества бит (ENOB), наилучшим выбором станет сигма-дельта-АЦП, особенно для малошумящих точных приложений. Когда скорость не так критична, передискретизация и формирование шума в сигма-дельта-АЦП дают очень высокую точность.

Когда 5…10 лет назад рынок АЦП последовательного приближения только начал насыщаться, многие аналоговые компании инвестировали в многоканальные сигма-дельта-ядра. Сегодняшний результат этого процесса – очень качественные АЦП с разрядностью до 24 или 32 бит и частотой дискретизации от 10 выб/с до 10 Мвыб/с.

В каких приложениях может потребоваться разрешение более 20 бит? Пример применений, в которых стандартно требуется точность на уровне максимально возможного количества бит – измерительные приборы и топливные хроматографы для нефтяной и газовой промышленности. А также другие системные применения, которые задают стандарты в оценке точности аналоговых сигналов, применения, где конечные пользователи должны быть абсолютно уверены в полученных данных.

Нужен ли модулятор?

Новейшие сигма-дельта-АЦП стало сложно классифицировать в значениях скорости и частоты дискретизации. Традиционные сигма-дельта-АЦП осуществляли всю цифровую постобработку внутри себя (в том числе, с помощью SINC/отсекающих фильтров, децимации, формирования шума). После этого данные последовательно выдавались наружу с очень высоким ENOB (Effective Number of Bits – эффективное количество бит). Например, если у вас был 24-битный АЦП, выходные данные выдавались в 24-битном формате. Первый бит был наибольшим значащим (MSB), а 24-й – наименьшим (LSB). Скорость выдачи данных в обычном случае равнялась системной тактовой частоте, деленной на 24. Это были не самые быстрые и не самые гибкие АЦП.

В последние 5…10 лет более популярны стали сигма-дельта-модуляторы, в частности – в приложениях, требующих повышенной скорости (часто около 1 Мвыб/с и более). Не ожидая полной оцифровки 24-битного выхода, сигма-дельта-модулятор выдает поток данных побитово, перекладывая задачу цифровой фильтрации для дальнейшего анализа данных на плечи процессора или ПЛИС.

Эта гибкость модулятора полезна для таких приложений, как управление электродвигателем, где может вполне хватить разрядности 12…16 бит. Контроллер двигателя может и не нуждаться в 8 младших значащих битах из 24-битного потока данных, если первые 16 бит обеспечивают достаточную точность аналогового измерения.

Последовательные АЦП против сигма-дельта: главное – скорость

Еще одна важная тема для обсуждения – входные фильтры. Вспомним, что последовательная архитектура АЦП позволяет сделать быстрый кадр. Когда приложению требуется повышенная частота выборки, входной фильтр становится более сложным. Затем во многих случаях для «раскачки» входного конденсатора и быстрого гашения колебаний необходим внешний буфер или усилитель, и этот усилитель должен иметь достаточную полосу пропускания. На рисунке 1 показан пример включения 16-битного последовательного АЦП MAX11166 500 квыб/с. Чем выше разрядность и больше скорость дискретизации – тем короче отрезок времени, необходимый для согласования входа и корректного считывания данных.

На рисунке 1 используются усилитель MAX9632 с полосой усиления 55 МГц и простой RC-фильтр. Этот конкретный усилитель обеспечивает шум менее 1 нВ/√Гц, что дает системное разрешение на уровне 1/10 дБ эффективного бита.

Рис. 1. Входной фильтр АЦП последовательного приближения на базе усилителя MAX9632

Рис. 1. Входной фильтр АЦП последовательного приближения на базе усилителя MAX9632

В сравнении с АЦП последовательного приближения, данные со входа сигма-дельта-АЦП считываются много раз, поэтому требования к сглаживающему фильтру не так критичны. Зачастую достаточно простого RC-фильтра. На рисунке 2 показан пример подключения 24-битного сигма-дельта АЦП MAX11270 64 квыб/с. Это – так называемый мост Уитстоуна с конденсатором 10 нФ, включенным между дифференциальными входами.

Рис. 2. Пример входного фильтра сигма-дельта-АЦП MAX11270

Рис. 2. Пример входного фильтра сигма-дельта-АЦП MAX11270

Конвейерные АЦП – для сверхвысокой частоты дискретизации

В этой статье мы уже упомянули конвейерные АЦП как востребованные для получения наиболее высоких частот дискретизации, к примеру, в РЧ-приложениях и SDR – беспроводном радио с программным заданием частоты.

За последние 10 лет крупнейшие производители аналоговых микросхем активно инвестировали в разработку конвейерных АЦП. Два основных преимущества конвейерных АЦП – скорость и мощность. С учетом частот дискретизации от 10 Мвыб/с до нескольких Гвыб/с, наиболее критичным становится выбор для этих изделий интерфейсов. Ожидается «большая битва» вокруг цифровых выходов конвейерных АЦП. В качестве основного до сих пор предлагался параллельный интерфейс, но и последовательный LVDS-интерфейс вполне подходит, например, для ультразвуковых приложений с большим количеством каналов и частотой дискретизации в пределах 50…65 Мвыб/с. Однако уже существуют новые типы интерфейсов.

Последовательный интерфейс JESD204B

JESD204B – это высокоскоростной последовательный интерфейс с передачей данных до 12,5 Гбит/с. Возникнув сравнительно недавно, он позволил производителям АЦП значительно повысить частоты дискретизации, а за ними подтянулись производители процессоров и ПЛИС со своими последовательными приемопередатчиками.

В многоканальном приложении с несколькими параллельно включенными АЦП проблемой являются запутанные соединения между АЦП и ПЛИС/процессором. При применении интерфейса JESD204B число линий данных значительно сокращается, экономя тем самым пространство платы. На рисунке 3 показаны одна последовательная выходная пара и вход синхронизации этого интерфейса, что значительно сокращает требуемое количество контактов для ввода-вывода.

Рис.3. Подключение последовательного интерфейса JESD204B

Рис.3. Подключение последовательного интерфейса JESD204B

Отметим, что в последние годы было опубликовано множество статей о JESD204B, где можно найти подробную информацию о работе интерфейса.

Энергопотребление конвейерных АЦП

По мере роста миниатюризации изделий лидирующие производители АЦП все интенсивнее борются за сокращение энергопотребления. Хорошие показатели – 1 мВт на 1 Мвыб/с. Если показатели вашего АЦП близки к этому, то у вас есть, от чего оттолкнуться в создании проекта.

АЦП, оптимизированные для микроконтроллеров, ПЛИС, ЦПУ и систем-на-кристалле

АЦП, встроенные в микросхемы, как правило, не самые производительные. Изначально, когда в микросхему встраивался 12-битный АЦП, предполагалось, что он будет работать как 8-битный для получения гарантированных значений эффективного количества бит (ENOB) или линейности. Для обеспечения нужных характеристик работы АЦП пользователю необходимо тщательно изучить параметры полной спецификации и определить, какие из них должны иметь гарантированные значения. Однако зачастую просматривались только стандартные характеристики или минимальные и максимальные значения параметров из кратких спецификаций.

В последнее время такие характеристики АЦП как интегральная нелинейность (INL), дифференциальная нелинейность (DNL), ошибка усиления и эффективное количество бит (ENOB) значительно улучшились, что позволило более активно встраивать АЦП в микроконтроллеры, и число микросхем со встроенными АЦП значительно возросло. В настоящее время, если приложению требуется преобразование с разрешением 12 бит и менее или всего несколько каналов преобразования, наиболее экономичным решением является микроконтроллер.

Производители ПЛИС также начали встраивать АЦП в свои системы. Например, компания Xilinx размещает 12-битный 1 Мвыб/с АЦП во всех ПЛИС 7 серии и системах-на-кристалле Zynq. Однако весьма важным является расположение АЦП на плате. Процессорный модуль с ПЛИС или системой-на-кристалле может находиться на значительном удалении от аналогового входа, который вообще может размещаться на отдельной плате, соединенной с процессорной платой посредством высокоскоростной цифровой шины. Если вы не хотите подвергать чувствительные аналоговые сигналы такому испытанию, то встроенное в процессор или ПЛИС АЦП – не ваш выбор. В этом случае вам определенно понадобится отдельный качественный АЦП. Например, для программируемых логических контроллеров (PLC) это, скорее всего, будет 24-битный сигма-дельта-АЦП.

Если мы заговорили о PLC, следует упомянуть о таком важном элементе как изоляция. Большинство аналоговых входов PLC включает несколько форм изоляции, обычно цифровой. Многие модули с аналоговыми входами содержат недорогие микроконтроллеры для быстрых отклика и прерываний. В этом случае расположение изоляции подсказывает, следует ли применить встроенный АЦП. Если изоляция расположена между процессором (или микроконтроллером) и шиной, встроенный АЦП подходит. Если микроконтроллер требуется изолировать от высоковольтных входных сигналов, тогда лучшим решением являются интегральный АЦП и цифровой изолятор.

Какой выбор наилучший?

Мы обсудили несколько характеристик современных АЦП. А насколько важны скорость, мощность и точность сигналов, которые вы измеряете?

Если вам необходимо простое считывание с низким разрешением для домашнего использования, это смогут, по всей вероятности, проделать АЦП, встроенные в микроконтроллер, ПЛИС, процессор или систему-на-кристалле АЦП. Если ваше приложение низкоскоростное (входной аналоговый сигнал близок к постоянному току, например, медленно изменяющийся сигнал температуры), оптимальным выбором является сигма-дельта-АЦП. Если сигнал на входе изменяется достаточно быстро, как в случае с анализом вибраций мотора, работающего со скоростью около 1000 оборотов в минуту, наилучшим вариантом является последовательный (SAR) АЦП. Если приложение должно измерять наиболее быстро изменяющиеся аналоговые сигналы из существующих, тогда лучший выбор – конвейерный АЦП.

Главная фраза, о которой не стоит забывать в процессе выбора АЦП – «это зависит от…». Если вы разработчик цифровых схем или эксперт по источникам питания, озадаченный выбором правильного АЦП — вы изучите подробные инструкции. АЦП – это сложные микросхемы с множеством нюансов, требующие тщательного изучения технического описания и отладочных комплектов. В таблице 1 приведены минимальные и максимальные параметры АЦП, доступных на рынке. Это реальная картина сегодняшнего дня. Кто знает, как она изменится в ближайшие годы?

Таблица 1. Стандартный диапазон характеристик АЦП

Тип АЦП/Характеристики Частота дискретизации/скорость Разрешение/бит Цена Мощность
АЦП последовательного приближения (SAR) Постоянный ток…10 Мвыб/с 8…20 Малая/средняя Самая малая
в пересчете на квыб/с
Сигма-дельта-АЦП Постоянный ток…20 Мвыб/с* 16…32 Малая/средняя Малая/средняя
Конвейерный АЦП 10 Мвыб/с…5 Гвыб/с 8…16 Самая высокая Самая высокая
АЦП, встроенный в МК/ПЛИС/СнК Постоянный ток…1 Мвыб/с 8…16 Самая малая Малая/средняя
* – скорость выхода модулятора
•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX11166DBEVKIT# (MAX)
MAX11166EVSYS# (MAX)
MAX11166ETC (MAX)
MAX11166ETC+ (MAX)
MAX9632ATA+ (MAX)
MAX9632EVKIT+ (MAX)
MAX9632ATA+T (MAX)
MAX9632ASA+ (MAX)
MAX11270EVKIT# (MAX)
MAX11270EUG (MAX)