№5 / 2019 / статья 2

АЦП без искажений: цифровые изоляторы Maxim с малой величиной джиттера

Практически нулевые искажения при преобразовании сигнала и высокое быстродействие качественных и скоростных АЦП легко свести на нет, если пренебречь смещением фронтов тактового сигнала дискретизации (джиттером). Помочь разработчикам сохранить качество электронной системы позволяют цифровые изоляторы с малой величиной джиттера, разработанные компанией Maxim Integrated.

Благодаря высокому качеству, относительной простоте и надежности оборудование с применением цифровых методов обработки и передачи информации уже давно вытеснило аналоговую технику. Однако не следует забывать, что все цифровые системы реализованы на аналоговых компонентах, поэтому четкое понимание всех тонкостей формирования и передачи аналоговых сигналов является обязательным условием создания любой высококачественной цифровой техники.

Одной из таких особенностей является джиттер (от английского «jitter» – дрожание) – смещение во времени фронтов цифрового сигнала при переходе между дискретными уровнями (рисунок 1). Причиной джиттера может быть нестабильность тактового генератора, неидеальность и неоднородность линии связи и цифровых элементов, приводящая к разной скорости распространения различных спектральных компонентов цифрового сигнала, и, конечно же, шумы и помехи, присутствующие в любой электрической системе.

Рис. 1. Смещение фронтов тактового сигнала (джиттер)

Рис. 1. Смещение фронтов тактового сигнала (джиттер)

В телекоммуникационном оборудовании джиттер может привести к появлению дополнительных задержек при передаче сигнала и увеличению вероятности ошибки при приеме информации, в цифровых антенных решетках – к уменьшению чувствительности и ухудшению разрешающей способности, а в аудио-, фото- и видеосистемах – к ухудшению отношения «сигнал/шум» (Signal-to-NoiseRatio, SNR) и появлению дополнительных нелинейных искажений. Таким образом, минимизация влияния джиттера является обязательным этапом проектирования любой цифровой электроники, ведь в худшем случае – при полном игнорировании этого явления – накопление фазовых отклонений сигнала в процессе прохождения через тракт системы может привести к ее полному отказу.

Наибольшее влияние джиттера проявляется на этапе преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму. Это связано с тем, что фазовые искажения сигнала внешнего тактирования АЦП приводят к смещению моментов дискретизации и, как следствие, к появлению погрешностей при измерениях аналогового напряжения. В звуковой технике, например, в магнитофонах, это явление сродни детонации, вызванной неравномерностью скорости вращения элементов лентопротяжных механизмов. Однако в отличие от детонации, искажения, вносимые джиттером, из-за своей нелинейной природы и малой предсказуемости гораздо заметнее. Еще одной специфической особенностью искажений, вносимых смещением фронтов тактового сигнала, является то, что «традиционные» методы улучшения качества, такие как увеличение уровня сигнала, частоты дискретизации и числа уровней квантования при наличии джиттера дадут прямо противоположный эффект, ведь наибольшее влияние джиттера проявляется именно при оцифровке быстро меняющихся и высокоуровневых сигналов (рисунок 2).

Рис. 2. Влияние частоты и уровня сигнала на величину искажений, вносимых джиттером

Рис. 2. Влияние частоты и уровня сигнала на величину искажений, вносимых джиттером

Шум, вносимый джиттером на этапе аналого-цифрового преобразования, относится к категории невосстановимого, ведь на сегодняшний день не существует методов, позволяющих эффективно скомпенсировать искажения, вызванные неравномерностью периодов измерения сигнала. Таким образом, единственным способом улучшения качества оцифровки сигналов является борьба с самой природой джиттера.

Одним из источников джиттера тактового сигнала для АЦП могут стать цифровые изоляторы, с помощью которых осуществляется гальваническая развязка основных элементов системы, в том числе и центрального процессора, от измерительного тракта. Необходимость введения подобной изоляции обусловлена множеством факторов, в числе которых большая разница синфазного напряжения между датчиком исходного сигнала и узлом его обработки, жесткая электромагнитная обстановка, требования к безопасности эксплуатации прибора и многое другое. В большинстве случаев введение изолирующего барьера позволяет повысить качество оцифровки измеряемого сигнала даже в тех приложениях, в которых без него можно обойтись, поэтому использование изолированных АЦП в высококачественной цифровой технике уже давно стало обычной практикой (рисунок 3).

Рис. 3. Пример реализации АЦП с изолированным интерфейсом SPI

Рис. 3. Пример реализации АЦП с изолированным интерфейсом SPI

Таким образом, цифровые изоляторы для систем, использующих высокоскоростные АЦП, кроме необходимой электрической прочности и высокого быстродействия должны обладать еще и минимальным уровнем джиттера. Это привело к появлению специализированных микросхем, позволяющих увеличить пропускную способность изолированных интерфейсов с 25 МГц (максимальная тактовая частота АЦП, ограниченная уровнем джиттера при использовании стандартных высокоскоростных изоляторов) до 200 МГц и выше. Давайте рассмотрим специализированные цифровые изоляторы, предлагаемые компанией Maxim Integrated. Их отличительной особенностью является минимальный уровень джиттера, что позволяет рекомендовать их для широкого спектра приложений, требующих точной оцифровки быстро меняющихся сигналов. 

Параметры и компоненты джиттера 

Оценивать только абсолютное значение уровня джиттера тактового сигнала и характеризовать его с позиций «большой» или «малый» не имеет никакого смысла, поскольку все зависит от конкретной задачи и конкретного приложения. Например, для программируемых логических схем смещение фронтов тактового сигнала на 50 пс может быть вполне приемлемым, в то время как для высокопроизводительных АЦП смещение фронта на 1 пс от расчетного значения уже может привести к появлению заметных шумов в оцифрованном напряжении. К тому же, влияние джиттера больше зависит от спектральной плотности полезного сигнала, чем от его максимальной частоты. Так, например, при одинаковом уровне джиттера уровень шума при оцифровке сигнала со спектром, равномерно распределенным в полосе частот 0 Гц…1 МГц, будет как минимум на 6 дБ меньше, чем при оцифровке сигнала с той же самой энергией, но сосредоточенной в области 1 МГц.

В целом оценить влияние джиттера можно с помощью формулы 1, связывающей отношение «сигнал/шум» SNR со среднеквадратическим значением джиттера σRMS (рисунок 4):

$$SNR=-20\log_{10} \left(2\pi \times f_{IN}\times \sigma_{RMS} \right)\:дБ,\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где fIN – частота входного сигнала.

Рис. 4. Оценка среднеквадратического уровня джиттера σRMS

Рис. 4. Оценка среднеквадратического уровня джиттера σRMS

Анализ формулы 1 показывает, что мощность шума, вызванного джиттером, пропорциональна как частоте, так и уровню входного сигнала. Так, например, оцифровка сигнала с частотой fIN = 70 МГц и уровнем -1 дБ при величине джиттера σRMS = 1 пс даст соотношение «сигнал/шум» SNR = 68 дБ. Уменьшение же уровня сигнала до -5 дБ приведет как к уменьшению абсолютного значения шума, так и к увеличению значения SNR на 4 дБ (SNR = 72 дБ).

Однако при оценке уровня шума, возникающего при работе АЦП, следует понимать, что в формуле 1, графическое представление которой для различных величин джиттера показано на рисунке 5, в качестве значения σRMS необходимо подставлять суммарное значение джиттера, вносимого всеми элементами системы.

Рис. 5. Влияние джиттера на величину соотношения «сигнал/шум» на выходе АЦП

Рис. 5. Влияние джиттера на величину соотношения «сигнал/шум» на выходе АЦП

В общем случае суммарный джиттер тактового сигнала можно разделить на две составляющие (рисунок 6): детерминированный, или известный (Deterministic Jitter, DJ) и случайный (Random Jitter, RJ). Случайный джиттер имеет шумовую природу, и его абсолютное значение теоретически ничем не ограничено, поэтому для его учета обычно используют статистические методы. Особенностью случайного джиттера, как и любого другого шумового сигнала, является нормальное распределение плотности вероятности, согласно которому вероятность смещения фронта импульса во времени на величину ±σ равна 68,2% (рисунок 7).

Рис. 6. Классификация джиттера

Рис. 6. Классификация джиттера

Рис. 7. Статистические характеристики случайного джиттера

Рис. 7. Статистические характеристики случайного джиттера

В отличие от случайного, детерминированный джиттер имеет определенные пределы и не может быть больше некоторой величины. Различают два типа джиттера подобного рода: зависимый от передаваемых данных (Data Depended Jitter, DDJ) и независимый от них (Bounded Uncorrelated Jitter, BUJ). Причинами детерминированного джиттера, не зависящего от входного сигнала, подразделяемого на периодический и непериодический, являются несовершенство кварцевых резонаторов, систем автоматической подстройки частоты тактовых генераторов, а также наличие наводок и помех. Кроме этого, смещение фронтов тактового сигнала может быть вызвано интермодуляционными искажениями, возникающими из-за взаимного влияния цепей передачи данных и синхронизации. Очевидно, что в этом случае детерминированный джиттер, который также может быть как периодическим, так и непериодическим, зависит и от конкретной величины входного сигнала, и от его оцифрованного аналога, например, порядка следования нулей и единиц в потоке данных и соотношения их числа.

Анализу и количественной оценке различных составляющих джиттера посвящено достаточно большое количество публикаций в специализированных изданиях. В рамках данной статьи наибольший интерес представляет оценка влияния джиттера, вносимого в систему цифровым изолятором. Согласно формуле 1, увеличение джиттера тактового сигнала в любом случае приводит к уменьшению соотношения «сигнал/шум», на выходе АЦП. Однако данная формула справедлива для идеального случая, когда в системе установлен аналого-цифровой преобразователь с бесконечным числом уровней квантования. В реальном же оборудовании ситуация несколько иная.

Допустим, в системе уже существует АЦП с разрядностью N, соотношение «сигнал/шум» SNRADC на выходе которого определяется формулой 2:

$$SNR_{ADC}=6.02N+1.76\:дБ\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Формула 2 позволяет количественно оценить уровень шумов, вызванных конечным числом уровней измерения АЦП (шум квантования), и является теоретическим максимумом соотношения «сигнал/шум» на выходе АЦП фиксированной разрядности. Это означает, что существует некоторое смещение тактового сигнала, которое не приведет к изменению уровня квантования отсчета (рисунок 8), а значит – и не ухудшит соотношение «сигнал/шум».

Рис. 8. Влияние джиттера тактового сигнала в реальном АЦП

Рис. 8. Влияние джиттера тактового сигнала в реальном АЦП

Следовательно, приравняв формулы 1 и 2, можно получить соотношение, позволяющее определить максимальный уровень джиттера тактового сигнала, не приводящий к появлению дополнительных шумов на выходе АЦП (формула 3):

$$\sigma_{RMS\:MAX}< \frac{1}{2\pi \times f_{IN}\times 10^{\frac{6.02N+1.76}{20}}}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Формула 3 позволяет нам определить максимально допустимый уровень джиттера тактового сигнала в системе, не приводящий к ухудшению отношения «сигнал/шум», а табличное (таблица 1) и графическое (рисунок 9) представление этой формулы дают возможность оперативно оценить область допустимых значений джиттера для конкретной ситуации.

Рис. 9. Максимально допустимое значение джиттера тактового сигнала для различных значений разрядности АЦП и частоты входного сигнала

Рис. 9. Максимально допустимое значение джиттера тактового сигнала для различных значений разрядности АЦП и частоты входного сигнала

Таблица 1. Максимально допустимое значение джиттера тактового сигнала для различных значений разрядности АЦП и частоты входного сигнала, фс

Разрядность АЦП, N Максимальная частота входного сигнала fIN, МГц
0,01 0,1 1 10 100
8 50794902,6 5079490,3 507949,0 50794,9 5079,5
10 12700479,9 1270048,0 127004,8 12700,5 1270,0
12 3175558,6 317555,9 31755,6 3175,6 317,6
14 793999,3 79399,9 7940,0 794,0 79,4
16 198527,3 19852,7 1985,3 198,5 19,9
18 49638,7 4963,9 496,4 49,6 5,0
20 12411,4 1241,1 124,1 12,4 1,2

Поскольку источником джиттера является не только цифровой изолятор, но и другие компоненты системы, в первую очередь – тактовый генератор, то максимальный уровень джиттера, который может вносить цифровой изолятор σISOLATOR, можно определить по формуле 4:

$$\sigma_{ISOLATOR}=\sqrt{\sigma_{RMS\:MAX}^2-\sigma_{OSC}^2},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где σOSC – суммарный уровень джиттера тактового сигнала без изолятора.

Теперь, при известном значении σOSC, осталось лишь подобрать цифровой изолятор, уровень джиттера которого будет меньше значения σISOLATOR, полученного по формуле (4).

Цифровые изоляторы Maxim с малым уровнем джиттера

Типовое значение джиттера стандартного кварцевого резонатора находится в диапазоне 3…5 пс, а для специализированных резонаторов с малым уровнем фазовых искажений оно обычно на порядок меньше и не превышает 100 фс. Это означает, что для обеспечения высокой точности измерений джиттер тактового сигнала, добавляемый изолятором, должен быть как можно меньше, по возможности – не более 10 пс (рисунок 10).

Рис. 10. Фронт и спад тактового сигнала при использовании цифрового изолятора MAX12931 с уровнем джиттера 6 пс

Рис. 10. Фронт и спад тактового сигнала при использовании цифрового изолятора MAX12931 с уровнем джиттера 6 пс

Особенностью цифровых изоляторов производства компании Maxim Integrated является уникальная технология передачи сигнала через изоляционный барьер с его восстановлением по фронтам исходного сигнала, позволяющая не только сократить время распространения, но и уменьшить уровень его фазовых искажений. Например, уровень джиттера для изоляторов MAX14935 составляет всего 10,2 пс, что как минимум в 20 раз меньше чем у традиционных решений. Столь малый уровень джиттера позволяет сделать микросхему MAX14935 практически невидимой для тактового сигнала АЦП. При соотношении «сигнал/шум» в неизолированной системе, равном 91,4 дБ, добавление изолятора производства Maxim приведет к уменьшению SNR всего лишь на 0,4 дБ, в то время как при использовании традиционных решений с уровнем джиттера, приблизительно равным 200 пс, соотношение «сигнал/шум» уменьшится до 79 дБ (рисунок 11).

Рис. 11. Сравнение уровня джиттера традиционных цифровых изоляторов и микросхем производства Maxim Integrated

Рис. 11. Сравнение уровня джиттера традиционных цифровых изоляторов и микросхем производства Maxim Integrated

Среди цифровых изоляторов Maxim Integrated с малым уровнем джиттера присутствуют микросхемы с 2…6 каналами (таблица 2), позволяющие реализовать изолированные версии большинства популярных интерфейсов, в том числе I2C, SPI, RS-232, RS-485/RS-422, SMBus, PMBus. Причем некоторые модели выпускаются в различных модификациях, например, с различным соотношением числа каналов в прямом и обратном направлении передачи (рисунок 12) или с различным назначением каналов: одни — для передачи данных, другие – для передачи тактового сигнала (MAX14483). Все это позволяет подбирать нужные микросхемы в зависимости от конкретной практической задачи, а высокая надежность изоляционного барьера является обязательным условием для создания приложений, отвечающих самым жестким требованиям к безопасности.

Рис. 12. Модификации микросхем MAX14430/31/32

Рис. 12. Модификации микросхем MAX14430/31/32

Таблица 2. Основные характеристики цифровых изоляторов Maxim Integrated с малым уровнем джиттера

Наименование Напряжение изоляции, кВ* Количество каналов Скорость передачи, Мбит/с** Уровень джиттера, пс
MAX12930/31 5 2 150 6,5
MAX14430/31/32 3,75 4 200 6,5
MAX22444/45/46 5 4 200 7,5
MAX14483 3,75 6 200 6,5
Примечания:
* – максимальный рейтинг изоляции отдельных модификаций серии
** – максимальная скорость, доступная для отдельных модификаций в рамках серии

Заключение

Точное преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму, впрочем, как и создание любого другого узла высококачественного приложения, требует от разработчика четкого понимания всех процессов, происходящих в системе. Фазовые искажения тактового сигнала являются одним из факторов, которые нельзя игнорировать, в противном случае полученный результат, даже с применением высококачественных высокоскоростных АЦП, будет далек от ожидаемого. Компания Maxim Integrated, разработав цифровые изоляторы, которые можно интегрировать в систему без ухудшения ее характеристик, открыла для разработчиков новые возможности создания широкого спектра приложений, отвечающих самым жестким современным требованиям и стандартам.

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:
Применения: ,
Группы товаров:

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