Pretvaranje analognih informacija u digitalni oblik. Šta je ADC?

- elektronsko kolo koje prima dva analogna signala na svojim ulazima i daje logičku "0" ili "1", ovisno o tome koji je od signala veći.

Dva analogna ulaza su imenovana neinvertirajući(+) i invertiranje (-). Ako je napon na neinvertirajućem ulazu veći nego na invertnom, izlazni signal je jednak logičkoj "1", u suprotnom - logičkoj "0".
Kada je uključen, komparator vam omogućava da uporedite vrijednosti napona prisutnih na odgovarajućim ulazima mikrokontrolera.
Rezultat poređenja je logička vrijednost koja se može pročitati iz programa. Na osnovu rezultata poređenja, može se generisati prekid i može se uhvatiti stanje brojača tajmera.
Da bi se pinovi mikrokontrolera sa odgovarajućom alternativnom funkcijom mogli koristiti kao analogni komparator, oni moraju biti konfigurisani kao analogni ulazi.

Analogno digitalni pretvarač

Analogno digitalni pretvarač(ADC) je uređaj koji pretvara ulazni analogni signal u diskretni kod (digitalni signal), najčešće binarni. Reverzna transformacija se izvodi pomoću digitalno-analogni pretvarač(DAC).
Bilo koja fizička veličina koja se kontinuirano mijenja ili njen ekvivalent može se koristiti kao analogni signal. Najčešće se kao ulazni signal koristi ekvivalentni naponski signal za dobijanje digitalnih informacija o temperaturi, struji, vlažnosti itd.
Većina A/D pretvarača je linearna, to jest, raspon ulaznih vrijednosti preslikanih na izlaznu digitalnu vrijednost je linearno povezan s tom izlaznom vrijednošću. ADC je baziran na analognom komparatoru.
Rezolucija ADC-a - Minimalna promjena veličine analognog signala koju može konvertirati dati ADC. Obično se mjeri u voltima.


Kapacitet ADC-a karakterizira broj diskretnih vrijednosti koje pretvarač može dati na izlaz. Mjereno u bitovima. Na primjer, ADC sposoban za proizvodnju 2 8 =256 diskretne vrijednosti (0..255), ima kapacitet od 8 bita.
jednaka je razlici napona koja odgovara maksimalnom i minimalnom izlaznom kodu, podijeljena sa brojem izlaznih diskretnih vrijednosti.

gdje N- Dubina bita ADC-a.
U tom slučaju se napon na ulazu pretvarača može procijeniti, znajući dobijenu digitalnu vrijednost analogno-digitalne konverzije Vrijednost

U praksi, rezolucija ADC-a je ograničena odnosom signal-šum ulaznog signala. Sa visokim intenzitetom šuma na ulazu ADC-a, postaje nemoguće razlikovati susedne nivoe ulaznog signala, odnosno rezolucija se pogoršava. U ovom slučaju, stvarno dostižna rezolucija je opisana pomoću efektivna dubina bita(efektivni broj bitova - ENOB), koji je manji od stvarne širine bita ADC-a. Prilikom pretvaranja visoko šumnog signala, najmanji bitovi izlaznog koda su praktično beskorisni, jer sadrže šum.

Uzorkovanje signala naziva se mjerna konverzija kontinuiranog signala x (t) u niz trenutnih vrijednosti ovog signala X (k i T) koji odgovaraju određenim vremenskim tačkama k i T (T- korak uzorkovanja).


Vremensko uzorkovanje signala može se izvesti sa konstantnim korakom. T= konstantni ili varijabilni korak T= var.

Frekvencija uzorkovanja- frekvenciju kojom se vrši konverzija analognog u digitalni signal.
Vrijeme konverzije- vrijeme od početka konverzije do pojave odgovarajućeg koda na izlazu ADC-a.
Referentni napon- napon koji odgovara maksimalnom izlaznom kodu.

Budući da pravi ADC-ovi ne mogu izvršiti A/D konverziju trenutno, vrijednost analognog ulaza mora biti konstantna barem od početka do kraja procesa konverzije (ovaj vremenski interval se naziva vrijeme konverzije). Ovaj zadatak se može riješiti korištenjem posebnog kola na ADC ulazu - uređaji za preuzimanje(UVH). UVC, po pravilu, pohranjuje ulazni napon u kondenzator, koji je na ulaz povezan preko analognog prekidača: kada je prekidač zatvoren, uzorkuje se ulazni signal (kondenzator se puni na ulazni napon), kada se je otvoren, pohranjen je. Tipično, ADC moduli sadrže ugrađeni I/O.

U članku se opisuje uređaj i principi rada analogno-digitalnih pretvarača različitih tipova, kao i njihove glavne karakteristike koje proizvođači navode u dokumentaciji.

Analogno-digitalni pretvarač (ADC) je jedna od najvažnijih elektronskih komponenti u opremi za mjerenje i testiranje. ADC pretvara napon (analogni signal) u kod, na kojem mikroprocesor i softver izvode određene radnje. Čak i ako radite samo s digitalnim signalima, najvjerovatnije koristite ADC kao dio osciloskopa da biste saznali njihove analogne karakteristike.

Postoji nekoliko osnovnih tipova ADC arhitekture, iako postoje mnoge varijacije unutar svakog tipa. Različiti tipovi mjerne opreme koriste različite vrste ADC-a. Na primjer, digitalni osciloskop koristi visoku stopu uzorkovanja, ali ne zahtijeva visoku rezoluciju. Digitalni multimetri zahtijevaju veću rezoluciju, ali brzina mjerenja se može žrtvovati. Sistemi za prikupljanje podataka opšte namene obično se nalaze između osciloskopa i digitalnih multimetara u smislu brzine uzorkovanja i rezolucije. Ova vrsta opreme koristi sukcesivnu aproksimaciju ADC ili sigma-delta ADC. Postoje i paralelni ADC-i za aplikacije koje zahtijevaju brzu obradu analognog signala i integraciju ADC-a visoke rezolucije i visoke supresije šuma.

Slika 1. prikazuje mogućnosti glavnih ADC arhitektura u zavisnosti od rezolucije i frekvencije uzorkovanja.

Rice. 1. Vrste ADC - rezolucija u zavisnosti od frekvencije uzorkovanja

Paralelni ADC

Većina brzih osciloskopa i neki visokofrekventni mjerni instrumenti koriste paralelne ADC-e zbog svojih visokih stopa konverzije, koje mogu doseći 5G (5x10 9) cps za standardne uređaje i 20G brojanja u sekundi za originalne dizajne. Paralelni ADC obično imaju do 8-bitne rezolucije, ali su dostupne i 10-bitne verzije.

Rice. 2. ADC paralelna konverzija

Rice. 2 prikazuje pojednostavljeni blok dijagram 3-bitnog paralelnog ADC-a (za pretvarače veće rezolucije princip rada ostaje isti). Koristi niz komparatora, od kojih svaki uspoređuje ulazni napon sa pojedinačnim referentnim naponom. Ovaj referentni napon za svaki komparator formira se na ugrađenom preciznom otpornom razdjelniku. Referentni naponi počinju od polovine najmanjeg značajnog bita (LSB) i povećavaju se sa svakim sljedećim komparatorom u koracima od V REF / 2 3. Kao rezultat toga, 3-bitni ADC zahtijeva 2 3 -1 ili sedam komparatora. I, na primjer, 8-bitni paralelni ADC će zahtijevati 255 (ili (2 8 -1)) komparatora.

Sa povećanjem ulaznog napona, komparatori sekvencijalno postavljaju svoje izlaze na logičku jedinicu umjesto na logičku nulu, počevši od komparatora odgovornog za najmanji bitni bit. Možete zamisliti sondu kao živin termometar: kako temperatura raste, živin stupac raste. Na sl. 2, ulazni napon pada u intervalu između V3 i V4, tako da 4 donja komparatora imaju "1" na izlazu, a gornja tri komparatora imaju "0". Dekoder pretvara (2 3 -1) - bitnu digitalnu riječ sa izlaza komparatora u binarni 3-bitni kod.

Paralelni ADC su dovoljno brzi, ali imaju svoje nedostatke. Zbog potrebe za korištenjem velikog broja komparatora, paralelni ADC-i troše značajnu snagu i nepraktični su za aplikacije na baterije.

Kada je potrebna rezolucija od 12, 14 ili 16 bita i nije potrebna visoka stopa konverzije, ali su odlučujući faktori niska cijena i niska potrošnja energije, tada se obično koriste SAR ADC. Ovaj tip ADC-a se najčešće koristi u različitim instrumentima i sistemima za prikupljanje podataka. Trenutno, uzastopni aproksimacijski ADC-ovi mogu mjeriti napon sa tačnošću od 16 bita sa stopom uzorkovanja od 100K (1x10 3) do 1M (1x10 6) brojanja/sek.

Rice. 3 prikazuje pojednostavljeni blok dijagram SAR ADC-a. ADC ovog tipa zasniva se na posebnom sukcesivnom registru aproksimacije. Na početku ciklusa konverzije, svi izlazi ovog registra su postavljeni na logičku 0, osim prvog (najznačajnijeg) bita. Ovo generiše signal na izlazu internog digitalno-analognog pretvarača (DAC), čija je vrijednost jednaka polovini ulaznog raspona ADC-a. A izlaz komparatora prelazi u stanje koje određuje razliku između signala na izlazu DAC-a i izmjerenog ulaznog napona.

Rice. 3. Sukcesivna aproksimacija ADC

Na primjer, za 8-bitni SAR ADC (slika 4), izlazi registra su postavljeni na "10000000". Ako je ulazni napon manji od polovine ulaznog opsega ADC-a, onda će izlaz komparatora biti postavljen na logičku 0. Ovo navodi uzastopni aproksimacijski registar da prebaci svoje izlaze na "01000000", što će u skladu s tim promijeniti izlazni napon iz DAC-a na komparator. Ako bi u ovom slučaju izlaz komparatora i dalje ostao na "0", tada bi izlazi registra prešli u stanje "00100000". Ali u ovom ciklusu konverzije, izlazni napon DAC-a je manji od ulaznog napona (slika 4), a komparator se prebacuje na logičku 1. Ovo nalaže sukcesivnom aproksimacijskom registru da zadrži "1" u drugom bitu i primijeni "1" do trećeg bita. Opisani algoritam operacija se zatim ponovo ponavlja do posljednjeg bita. Dakle, SAR ADC zahtijeva jedan interni takt konverzije za svaki bit, ili N ciklusa takta za N-bit konverziju.

Rice. 4. Konverzija u ADC uzastopne aproksimacije

Međutim, SAR ADC-ovi imaju prolazno ponašanje u internom DAC-u. U teoriji, izlazni napon DAC-a za svaki od N taktova interne konverzije trebao bi biti podešen u istom vremenskom periodu. Ali u stvari, ovaj jaz u prvim mjerama je mnogo veći nego u posljednjim. Stoga je vrijeme konverzije 16-bitnog SAR ADC-a više nego dvostruko veće od vremena konverzije ovog tipa 8-bitnog ADC-a.

Većina mjerenja često ne zahtijeva ADC sa stopom konverzije koju daje SAR ADC, ali je potrebna veća rezolucija. Sigma-delta ADC-ovi mogu dati do 24-bitne rezolucije, ali su inferiorni u brzini konverzije. Dakle, u sigma-delta ADC-u na 16 bita, možete dobiti brzinu uzorkovanja do 100K uzoraka/s, a kod 24 bita ova frekvencija pada na 1K uzoraka/s ili manje, ovisno o uređaju.

Obično se sigma-delta ADC koriste u različitim sistemima za prikupljanje podataka i instrumentaciji (pritisak, temperatura, težina, itd.) kada nije potrebna visoka stopa uzorkovanja i potrebna je rezolucija veća od 16 bita.

Princip rada sigma-delta ADC-a je teže razumjeti. Ova arhitektura pripada klasi integrirajućih ADC-a. Ali glavna karakteristika sigma-delta ADC-a je da brzina uzorkovanja, pri kojoj se analizira nivo napona mjerenog signala, značajno premašuje frekvenciju pojavljivanja uzoraka na izlazu ADC-a (frekvencija uzorkovanja). Ova stopa uzorkovanja naziva se stopa prekomjernog uzorkovanja. Dakle, sigma-delta ADC sa stopom konverzije od 100K uzoraka/s, koji koristi stopu preduzorkovanja od 128 puta veću, uzorkovaće vrijednosti ulaznog analognog signala sa frekvencijom od 12,8M uzoraka/s.

Blok dijagram sigma-delta ADC-a prvog reda prikazan je na Sl. 5. Analogni signal se dovodi do integratora čiji su izlazi povezani na komparator, koji je zauzvrat povezan na 1-bitni DAC u povratnoj petlji. Kroz niz uzastopnih iteracija, integrator, komparator, DAC i sabirač proizvode serijski tok bitova koji sadrži informacije o ulaznom naponu.

Rice. 5. Sigma-delta ADC

Rezultirajuća digitalna sekvenca se zatim dovodi u niskopropusni filter da potisne komponente sa frekvencijama iznad Kotelnikove frekvencije (koja je polovina brzine uzorkovanja ADC-a). Nakon uklanjanja visokofrekventnih komponenti, sljedeći čvor - decimator - desetkuje podatke. U ADC-u koji razmatramo, decimator će ostaviti 1 bit od svakih 128 primljenih u izlaznom digitalnom nizu.

Budući da je interni digitalni niskopropusni filtar u Sigma-Delta ADC-u sastavni dio procesa konverzije, vrijeme uspostavljanja niskopropusnog filtera postaje faktor koji treba uzeti u obzir kada je ulazni signal isprekidan. Na primjer, kada mijenjate ulazni multipleksor ili mijenjate mjernu granicu uređaja, morate pričekati da prođe nekoliko ADC očitavanja prije čitanja ispravnih izlaznih podataka.

Dodatna i vrlo važna prednost sigma-delta ADC-a je to što se svi njegovi unutrašnji čvorovi mogu izvesti na integralan način na površini jednog silicijumskog kristala. Ovo značajno smanjuje troškove krajnjih uređaja i povećava stabilnost karakteristika ADC-a.

Integracija ADC-a

I posljednji tip ADC-a, o kojem će ovdje biti riječi, je push-pull integracijski ADC. U digitalnim multimetrima, u pravilu se koriste takvi ADC-ovi, jer ovi mjerači zahtijevaju kombinaciju visoke rezolucije i visoke supresije šuma. Ideja konverzije u takvom integrirajućem ADC-u je mnogo manje komplicirana nego u sigma-delta ADC-u.

Slika 6 prikazuje princip rada push-pull integracijskog ADC-a. Ulazni signal puni kondenzator u određenom vremenskom periodu, koji je obično jedan ciklus mrežne frekvencije (50 ili 60 Hz) ili višestruki. Integracijom ulaznog signala za ovaj vremenski period potiskuje se visokofrekventni šum. Istovremeno je isključen uticaj nestabilnosti napona mrežnog napajanja na tačnost konverzije. To je zato što je vrijednost integrala iz sinusoidnog signala jednaka nuli ako se integracija provodi u vremenskom intervalu koji je višekratnik perioda sinusne promjene.

Rice. 6. Integracija ADC-a. Šum iz mreže je prikazan zelenom bojom (1 tačka)

Na kraju vremena punjenja, ADC prazni kondenzator fiksnom brzinom, dok interni brojač broji broj impulsa takta tokom vremena pražnjenja kondenzatora. Duže vrijeme pražnjenja, dakle, odgovara većoj vrijednosti očitavanja brojila i višem izmjerenom naponu (slika 6).

ADC-ovi push-pull integracije imaju visoku tačnost i visoku rezoluciju, a imaju i relativno jednostavnu strukturu. To omogućava njihovo izvođenje u obliku integriranih kola. Glavni nedostatak ovakvih ADC-a je dugo vrijeme konverzije zbog vezivanja perioda integracije za trajanje perioda mreže napajanja. Na primjer, za opremu od 50 Hz, brzina uzorkovanja push-pull integracijskog ADC-a ne prelazi 25 uzoraka/sek. Naravno, takvi ADC-ovi mogu raditi s većom stopom uzorkovanja, ali s povećanjem potonjeg, otpornost na buku se smanjuje.

ADC specifikacija

Postoje opšte definicije koje se obično koriste za analogno-digitalne pretvarače. Međutim, specifikacije date u tablicama podataka proizvođača ADC-a mogu izgledati prilično zbunjujuće. Pravilan izbor optimalnog ADC-a u smislu kombinacije njegovih karakteristika za konkretnu primenu zahteva tačnu interpretaciju podataka datih u tehničkoj dokumentaciji.

Parametri koji se najčešće brkaju su rezolucija i tačnost, iako su ove dvije karakteristike pravog ADC-a vrlo slabo povezane jedna s drugom. Rezolucija nije identična preciznosti, 12-bitni ADC-ovi mogu biti manje precizni od 8-bitnih. Za ADC, rezolucija je mjera na koliko segmenata se može podijeliti ulazni opseg analognog signala koji se mjeri (na primjer, za 8-bitni ADC, to je 28 = 256 segmenata). Preciznost karakterizira ukupno odstupanje rezultata konverzije od njegove idealne vrijednosti za dati ulazni napon. To jest, rezolucija karakteriše potencijalne sposobnosti ADC-a, a skup parametara preciznosti određuje izvodljivost takve potencijalne sposobnosti.

ADC pretvara analogni ulazni signal u digitalni izlazni kod. Za stvarne pretvarače proizvedene u obliku integrisanih kola, proces konverzije nije idealan: na njega utiču kako tehnološke varijacije parametara tokom proizvodnje, tako i razne spoljne smetnje. Stoga se digitalni kod na izlazu ADC-a određuje s greškom. Specifikacije za ADC ukazuju na greške koje daje sam pretvarač. Obično se dijele na statičke i dinamičke. U ovom slučaju, konačna aplikacija je ta koja određuje koje će se karakteristike ADC-a smatrati odlučujućim, najvažnijim u svakom konkretnom slučaju.

Statička greška

U većini aplikacija, ADC se koristi za mjerenje sporo mijenjajućeg signala niske frekvencije (na primjer, od senzora temperature, tlaka, mjerača naprezanja, itd.) kada je ulazni napon proporcionalan relativno konstantnoj fizičkoj veličini. Tu glavnu ulogu igra statička greška mjerenja. ADC specifikacija definira ovu vrstu greške kao pomak, punu skalu, DNL, ​​INL i grešku kvantizacije. Ovih pet karakteristika vam omogućavaju da u potpunosti opišete statičku grešku ADC-a.

Idealna karakteristika prijenosa ADC-a

Prijenosna karakteristika ADC-a je funkcija ovisnosti koda na izlazu ADC-a od napona na njegovom ulazu. Takav graf je djelomično linearna funkcija od 2N "koraka", gdje je N kapacitet ADC-a. Svaki horizontalni segment ove funkcije odgovara jednoj od vrijednosti izlaznog koda ADC (vidi sliku 7). Ako ishodište ovih horizontalnih segmenata povežemo linijama (na granicama prelaza sa jedne vrednosti koda na drugu), onda će idealna karakteristika prenosa biti prava linija koja prolazi kroz ishodište.

Rice. 7. Idealna karakteristika prijenosa 3-bitnog ADC-a

Rice. Slika 7 ilustruje idealnu karakteristiku prenosa za 3-bitni ADC sa tačkama prekida na granicama prelaza koda. Izlazni kod uzima najmanju vrijednost (000b) kada je vrijednost ulaznog signala između 0 i 1/8 pune skale (maksimalna vrijednost koda ovog ADC-a). Takođe treba napomenuti da će ADC dostići kodnu vrednost pune skale (111b) na 7/8 pune skale, a ne na punoj vrednosti skale. To. prijelaz na maksimalnu vrijednost na izlazu se ne događa pri naponu pune skale, već pri vrijednosti manjoj od najmanjeg značajnog bita (LSB) od ulaznog napona pune skale. Prijenosna karakteristika se može realizirati sa pomakom od -1/2 LSB. Ovo se postiže pomeranjem karakteristike prenosa ulevo, čime se greška kvantizacije pomera sa -1 ... 0 LSB opsega na -1/2 ... +1/2 LSB opsega.

Rice. 8. Prijenosna karakteristika 3-bitnog ADC-a sa pomakom od -1 / 2LSB

Zbog tehnološke varijacije parametara u proizvodnji integriranih kola, pravi ADC nemaju idealnu prijenosnu karakteristiku. Odstupanja od idealne transferne karakteristike određuju statičku grešku ADC-a i data su u tehničkoj dokumentaciji.

Idealna karakteristika prijenosa ADC-a prelazi ishodište, a prvi kodni skok se događa kada se dostigne 1 LSB. Aditivna greška (offset error) može se definirati kao pomak cijele prijenosne karakteristike lijevo ili desno u odnosu na os ulaznog napona, kao što je prikazano na slici 9. Stoga je pomak od 1/2 LSB namjerno uključen u ADC definiciju.

Rice. 9. Greška aditiva (greška pomaka)

Multiplikativna greška

Multiplikativna greška (greška pune skale) je razlika između idealne i stvarne karakteristike prijenosa na tački maksimalne izlazne vrijednosti, uz pretpostavku nulte aditivne greške (bez pristranosti). To se manifestira kao promjena nagiba funkcije prijenosa, što je ilustrovano na Sl. deset.

Rice. 10. Multiplikativna greška (greška pune skale)

Za idealnu karakteristiku prijenosa ADC-a, širina svakog "koraka" bi trebala biti ista. Razlika u dužini horizontalnih segmenata ove djelično linearne funkcije od 2N "koraka" je diferencijalna nelinearnost (DNL).

Najmanji bitni bit ADC-a je Vref / 2N, gdje je Vref referentni napon, N je rezolucija ADC-a. Razlika napona između svakog prijelaza koda mora biti jednaka LSB vrijednosti. Devijacija ove razlike od LSB-a je definisana kao diferencijalna nelinearnost. Ovo je prikazano na slici kao nejednake praznine između "koraka" koda ili kao "zamagljivanje" prelaznih granica na prijenosnoj karakteristici ADC-a.

Rice. 11. Diferencijalna nelinearnost (DNL)

Integralna nelinearnost

Integralna nelinearnost (INL) je greška koja je uzrokovana odstupanjem linearne funkcije odziva prijenosa ADC-a od prave linije, kao što je prikazano na Sl. 12. Obično se prijenosna funkcija s integralnom nelinearnošću aproksimira ravnom linijom korištenjem metode najmanjih kvadrata. Često puta, aproksimirajuća ravna linija jednostavno povezuje najniže i najviše vrijednosti. Integralna nelinearnost se utvrđuje poređenjem napona na kojima se dešavaju prijelazi koda. Za idealan ADC, ovi prijelazi će se dogoditi na tačno višestrukim LSB ulaznim naponom. A za pravi pretvarač, takav uvjet može biti ispunjen greškom. Razlika između "idealnih" nivoa napona, na kojima dolazi do prijelaza koda, i njihovih stvarnih vrijednosti, izražava se u LSB jedinicama i naziva se integralna nelinearnost.

Rice. 12. Integralna nelinearnost (INL)

Greška kvantizacije

Jedan od najznačajnijih faktora koji doprinosi grešci merenja ADC-a, greška kvantizacije, je rezultat samog procesa konverzije. Greška kvantizacije je greška uzrokovana vrijednošću koraka kvantizacije i definirana je kao? vrijednosti najmanjeg značajnog bita (LSB). Ne može se isključiti u analogno-digitalnim konverzijama, budući da je sastavni dio procesa konverzije, određen je rezolucijom ADC-a i ne mijenja se iz ADC-a u ADC sa jednakom rezolucijom.

Dinamičke karakteristike

Dinamičke karakteristike ADC-a se obično određuju pomoću spektralne analize, iz rezultata izvođenja brze Fourierove transformacije (FFT) na nizu izlaznih vrijednosti ADC-a koje odgovaraju nekom testnom ulaznom signalu.

Na sl. 13 prikazuje primjer frekvencijskog spektra mjerenog signala. Nulti harmonik odgovara osnovnoj frekvenciji ulaznog signala. Sve ostalo je šum, koji sadrži harmonijsko izobličenje, termalni šum, 1/f šum i šum kvantizacije. Neke komponente buke generira sam ADC, neke mogu doći na ulaz ADC-a iz vanjskih kola. Harmoničko izobličenje, na primjer, može biti sadržano u mjerenom signalu i istovremeno generirano od ADC-a tokom procesa konverzije.

Rice. 13. Rezultat izvršenja FFT-a na izlaznim podacima ADC-a

Odnos signala i šuma

Odnos signal-šum (SNR) je omjer efektivne vrijednosti ulaznog signala i efektivne vrijednosti šuma (isključujući harmonijsko izobličenje) izražen u decibelima:

SNR (dB) = 20 log [Vsignal (rms) / Vnoise (rms)]

Ova vrijednost vam omogućava da odredite udio šuma u izmjerenom signalu u odnosu na korisni signal.

Rice. 14. SNR - Odnos signala i šuma

Rice. 15. FFT odražava harmonijsko izobličenje

Šum izmjeren u proračunu SNR ne uključuje harmonijsko izobličenje, ali uključuje šum kvantizacije. Za ADC sa određenom rezolucijom, to je šum kvantizacije koji ograničava mogućnosti pretvarača na teoretski najbolji omjer signal-šum, koji je definiran kao:

SNR (db) = 6,02 N + 1,76,

gdje je N rezolucija ADC-a.

Spektar šuma kvantizacije standardnih ADC arhitektura ima ujednačenu distribuciju frekvencija. Stoga se veličina ovog šuma ne može smanjiti povećanjem vremena konverzije i zatim usrednjavanjem rezultata. Šum kvantizacije može se smanjiti samo mjerenjem sa većim ADC-om.

Posebnost sigma-delta ADC-a je u tome što je spektar šuma kvantizacije neravnomjerno raspoređen po frekvenciji - pomjeren je prema visokim frekvencijama. Stoga je povećanjem vremena mjerenja (i, shodno tome, broja uzoraka mjerenog signala), akumuliranjem i potom usrednjavanjem dobijenog uzorka (niskopropusni filter), moguće dobiti rezultat mjerenja sa većom preciznošću. Naravno, ukupno vrijeme konverzije će se u ovom slučaju povećati.

Ostali izvori buke ADC-a uključuju termalni šum, šum od 1/f i referentni džiter.

Totalna harmonijska distorzija

Nelinearnost u konverziji podataka rezultira harmonijskim izobličenjem. Takva izobličenja se uočavaju kao "šiljci" u frekvencijskom spektru na parnim i neparnim harmonicima mjerenog signala (slika 15).

Ovo izobličenje se naziva totalna harmonijska distorzija (THD). Oni su definisani kao:

Količina harmonijskog izobličenja se smanjuje na visokim frekvencijama do tačke u kojoj amplituda harmonika postaje manja od nivoa šuma. Dakle, ako analiziramo doprinos harmonijske distorzije rezultatima konverzije, to se može uraditi ili na cijelom frekventnom spektru, uz ograničavanje amplitude harmonika nivoom šuma, ili ograničavanje frekvencijskog pojasa za analizu. Na primjer, ako naš sistem ima niskopropusni filter, onda nam visoke frekvencije jednostavno nisu zanimljive i visokofrekventni harmonici ne podliježu razmatranju.

Odnos signal-šum i izobličenja

Odnos signala i šuma i izobličenja (SiNAD) potpunije opisuje performanse buke ADC-a. SiNAD uzima u obzir veličinu buke i harmonijske distorzije u odnosu na željeni signal. SiNAD se izračunava pomoću sljedeće formule:

Rice. 16. Dinamički raspon, bez harmonika

Specifikacija ADC-a, data u tehničkoj dokumentaciji za mikro krugove, pomaže razumnom odabiru pretvarača za određenu primjenu. Kao primjer, razmotrite specifikaciju ADC integriranog u novi C8051F064 mikrokontroler iz Silicon Laboratories.

Mikrokontroler C8051F064

C8051F064 kristal je brzi 8-bitni mikrokontroler za zajedničku obradu analognih i digitalnih signala sa dva integrisana 16-bitna SAR ADC-a. Ugrađeni ADC-i mogu raditi u jednožičnim i diferencijalnim modovima s maksimalnom propusnošću do 1M brojanja/sek. U tabeli su prikazane glavne karakteristike ADC-a mikrokontrolera C8051F064. Možete koristiti jeftin C8051F064EK Evaluation Kit (Slika 17) za samoprocjenu digitalnih i analognih mogućnosti obrade C8051F064. Komplet sadrži ploču za procenu zasnovanu na C8051F064, USB kabl, dokumentaciju i softver za testiranje analognih dinamičkih i statičkih karakteristika integrisanog visokopreciznog 16-bitnog ADC-a.

Table. V DD = 3,0 V, AV + = 3,0 V, AVDD = 3,0 V, V REF = 2,50 V (REFBE = 0), -40 do + 85 ° osim ako nije drugačije naznačeno

Rice. 17. Komplet za evaluaciju C8051F064EK

Književnost

1. http://www.wbc-europe.com/en/services/pim_application_guide.html
2. www.silabs.com

Wolfgang Reis (WBC GmbH)

Prilikom korišćenja računara za obradu informacija sa različitih uređaja (objekata, procesa), u kojima su informacije predstavljene kontinuiranim (analognim) signalima, potrebno je analogni signal pretvoriti u digitalni - u broj proporcionalan amplitudi ovog signala, i obrnuto. Općenito, postupak analogno-digitalne konverzije sastoji se od tri faze)