Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 1

25 декабря 2018

Абхиджит Годболе (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

Способ прямого согласования входа АЦП ПП (SAR) без буферного усилителя

Описана схема сопряжения выходов датчиков напрямую со входом АЦП последовательного приближения (SAR). В таких устройствах как датчики параметров окружающей среды, газовые детекторы, детекторы дыма или пожара входной сигнал изменяется очень медленно, и выходное напряжение датчика сэмплируется на довольно медленных скоростях (около 10 кГц). В подобных системах выход датчика может быть непосредственно сопряжен со входом SAR АЦП без использования промежуточного предусилителя, что позволит добиться уменьшения размеров устройства и снизить его стоимость.

Сопряжение выхода датчика напрямую с SAR АЦП

На рисунке 1 показана типичная схема сопряжения датчика непосредственно со входом SAR АЦП без использования предусилителя. Блок «Датчик» представляет собой схему Тевенина, эквивалентную выходу датчика. Источник напряжения V_TH — это напряжение эквивалентной схемы, а внутреннее сопротивление генератора R_TH — импеданс эквивалентной схемы. Документация большинства типов датчиков содержит модель Тевенина, из которой можно легко вычислить значение импеданса серии.

Рис. 1. Блок-схема сопряжения датчика непосредственно со входом SAR АЦП без использования предусилителя

Спецификации

Основные параметры схемы приводятся в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры схемы сопряжения датчика со входом SAR АЦП

Рекомендуем обратить внимание:

• Определите импеданс источника для входного сигнала. Вычислите постоянную времени RC-цепи импеданса источника входного сигнала и фильтрующего конденсатора (известное значение).
• Определите минимальное время захвата, необходимое для того чтобы входной сигнал установился для заданной комбинации импеданса источника и фильтрующего конденсатора.
• Используйте конденсаторы COG для минимизации искажений.
• Используйте пленочные резисторы 0,1% 20 ppm/°C или резисторы с еще лучшими характеристиками для снижения дрейфа коэффициента усиления и минимизации искажений.

Выбор компонентов для формирования входного сигнала АЦП

SAR АЦП могут быть непосредственно сопряжены с датчиками, если источник аналогового входного сигнала способен «отработать» входную емкость УВХ SAR АЦП и установить аналоговый входной сигнал с точностью до 1/2 младшего разряда (МР) в течение времени захвата SAR АЦП. Для этого внешний RC-фильтр (R_TH and C_FLT) должен устанавливаться в течение времени захвата АЦП (t_ACQ). Связь между временем захвата АЦП и постоянной времени внешнего RC-фильтра вычисляется по формуле 1:

$$t_{ACQ}\geq k \times \tau_{FLT},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где \(\tau_{FLT}=R_{TH}\times C_{FLT}\),  k – однополюсная постоянная времени для N бит АЦП.

Значения для примерной схемы взяты из таблицы 1:

R_TH = 10 кОм, C_FLT  = 680 пФ, k = 11 (однополюсная постоянная времени для 14-разрядного АЦП). Дополнительная информация содержится на стр. 96 и стр. 97 Карманного справочника инженера аналоговой техники.

Минимальное время захвата, необходимое для установления сигнала на должном уровне, рассчитывается с помощью формулы 2:

$$t_{ACQ}\geq 11\times 10\:кОм\times 680\:пФ=74,8\:мкс\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Для получения дополнительной информации о SAR АЦП и разработке входных каскадов для SAR-АЦП смотрите раздел учебного интернет-ресурса TI «Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП».

Моделирование установления при подаче входного сигнала с помощью TI-TINA

На рисунке 2 показана смоделированная реакция АЦП ADS7056, на вход которого подан сигнал 3,15 В DC. Данный тип моделирования показывает, что схема семплирования и удержания обратного сигнала выбрана правильно. Для получения дополнительной информации по этому вопросу следует обратиться к разделу «Уточнение значений Rfilt и Cfilt» обучающей видеосерии TI Precision Labs – ADC.

Рис. 2. Установление АЦП ADS7056 при входном сигнале 3,15 В DC

Увеличение времени захвата SAR АЦП для установления входного сигнала

Время захвата SAR АЦП может быть увеличено за счет снижения скорости обработки следующими способами:

• путем уменьшения частоты SCLK для снижения скорости обработки;
• поддержанием SCLK на максимально допустимом уровне и увеличением времени CS.

В таблице 2 приведено время захвата для двух предыдущих случаев для SAR АЦП ADS7056, работающей при скорости обработки в 10 ksps (t_цикла = 100 мкс). Случай 2 описывает ситуацию с более длительным временем захвата для установления входного сигнала из-за увеличенной частоты SCLK при фиксированном времени преобразовании и времени цикла.

Таблица 2. Результат увеличения времени захвата

В таблице 3 приведено сравнение производительности между 8-, 10-, 12- и 14-разрядными АЦП относительно скорости дискретизации и эффективной разрядности (ENOB), когда выход датчика с выходным импедансом 10 кОм непосредственно сопряжен со входом АЦП. Как и ожидалось, значение ENOB ухудшается при росте частоты дискретизации, поскольку время захвата уменьшается.

Таблица 3. Сравнение производительности АЦП

Производительность при различных скоростях обработки с разными значениями импеданса источника сигнала

На рисунке 3 представлены значения ENOB, полученные на ADS7056 при различных скоростях обработки с разными входными импедансами. Обратите внимание, что все результаты получены без использования предусилителя АЦП.

Рис. 3. Значения ENOB при различных уровнях дискретизации

SAR АЦП, которые можно использовать для прямого подключения датчиков, приведены в таблице 4.

Таблица 4. Список АЦП, применимых в схеме с прямым подключением датчиков

Рекомендуем обратить внимание

• Модели ADS7042 и ADS7056 используют AVDD в качестве опорного входного сигнала. Источником питания при этом должен служить LDO-регулятор с высоким уровнем подавления пульсаций TPS7A47.

Исходные файлы для непосредственного сопряжения выхода датчика с SAR АЦП.

Оригинал статьи.

Список всех 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 буферном 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
14. Расчет антиалайзингового фильтра с заданной частой среза для АЦП последовательного приближения

Перевели Александр Леонович и Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ