Pretvaranje analognih informacija u digitalni oblik. Što je ADC

- elektronički sklop koji na svojim ulazima prihvaća dva analogna signala 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 invertiranom, izlazni signal je jednak logičkoj "1", inače - logičkoj "0".
Kada je uključen, komparator vam omogućuje usporedbu vrijednosti napona prisutnih na odgovarajućim ulazima mikrokontrolera.
Rezultat usporedbe je booleova vrijednost koja se može pročitati iz programa. Na temelju rezultata usporedbe može se generirati prekid i može se uhvatiti stanje brojača vremena.
Da bi se pinovi mikrokontrolera s odgovarajućom alternativnom funkcijom mogli koristiti kao analogni komparator, moraju biti konfigurirani 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 provodi pomoću digitalno-analogni pretvarač(DAC).
Bilo koja fizička veličina koja se kontinuirano mijenja ili njezin ekvivalent može se koristiti kao analogni signal. Najčešće se kao ulazni signal koristi ekvivalentni naponski signal za dobivanje digitalnih informacija o temperaturi, struji, vlažnosti itd.
Većina A/D pretvarača je linearna, odnosno raspon ulaznih vrijednosti preslikanih na izlaznu digitalnu vrijednost linearno je povezan s tom izlaznom vrijednošću. ADC se temelji na analognom komparatoru.
Rezolucija ADC-a - Minimalna promjena veličine analognog signala koju može pretvoriti dati ADC. Obično se mjeri u voltima.


Kapacitet ADC-a karakterizira broj diskretnih vrijednosti koje pretvarač može proizvesti na izlazu. 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 s brojem izlaznih diskretnih vrijednosti.

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

U praksi je rezolucija ADC-a ograničena omjerom signal-šum ulaznog signala. S velikim intenzitetom šuma na ulazu ADC-a postaje nemoguće razlikovati susjedne razine ulaznog signala, odnosno pogoršava se rezolucija. U ovom slučaju, stvarno dostižna rezolucija je opisana pomoću efektivna dubina bita(efektivni broj bitova - ENOB), što je manje od stvarne širine bita ADC-a. Prilikom pretvaranja vrlo šumnog signala, najmanji bitovi izlaznog koda su praktički beskorisni, budući da sadrže šum.

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


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

Učestalost uzorkovanja- frekvencija kojom se vrši pretvorba analognog u digitalni signal.
Vrijeme pretvorbe- vrijeme od početka pretvorbe do pojave odgovarajućeg koda na izlazu ADC-a.
Referentni napon- napon koji odgovara maksimalnom izlaznom kodu.

Budući da stvarni ADC-ovi ne mogu izvršiti A/D pretvorbu trenutno, vrijednost analognog ulaza mora biti konstantna barem od početka do kraja procesa pretvorbe (ovaj vremenski interval se naziva vrijeme konverzije). Ovaj zadatak se može riješiti korištenjem posebnog kruga na ulazu ADC - uređaji za dohvaćanje(UVH). UVC, u pravilu, pohranjuje ulazni napon u kondenzator, koji je spojen na ulaz preko analogne sklopke: kada je sklopka zatvorena, 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) jedna je od najvažnijih elektroničkih komponenti u opremi za mjerenje i ispitivanje. ADC pretvara napon (analogni signal) u kod, na kojem mikroprocesor i softver izvode određene radnje. Čak i ako radite samo s digitalnim signalima, najvjerojatnije koristite ADC kao dio osciloskopa kako biste saznali njihove analogne karakteristike.

Postoji nekoliko osnovnih tipova ADC arhitekture, iako postoje mnoge varijacije unutar svake vrste. Različite vrste mjerne opreme koriste različite vrste ADC-a. Na primjer, digitalni osciloskop koristi visoku stopu uzorkovanja, ali ne zahtijeva visoku razlučivost. Digitalni multimetri zahtijevaju veću rezoluciju, ali se brzina mjerenja može žrtvovati. Sustavi za prikupljanje podataka opće namjene obično se nalaze između osciloskopa i digitalnih multimetara u smislu brzine uzorkovanja i rezolucije. Ova vrsta opreme koristi uzastopni aproksimacijski ADC ili sigma-delta ADC. Postoje i paralelni ADC-i za aplikacije koje zahtijevaju brzu obradu analognog signala i integraciju ADC-a visoke razlučivosti i visokog supresije šuma.

Slika 1. prikazuje mogućnosti glavnih ADC arhitektura ovisno o rezoluciji i frekvenciji uzorkovanja.

Riža. 1. Vrste ADC-a - rezolucija ovisno o frekvenciji uzorkovanja

Paralelni ADC-ovi

Većina brzih osciloskopa i neki visokofrekventni mjerni instrumenti koriste paralelne ADC-ove 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.

Riža. 2. ADC paralelna pretvorba

Riža. Slika 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 s pojedinačnim referentnim naponom. Ovaj referentni napon za svaki komparator formira se na ugrađenom preciznom otpornom djelitelju. 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 zahtijevat će 255 (ili (2 8 -1)) komparatora.

S povećanjem ulaznog napona, komparatori uzastopno postavljaju svoje izlaze na logičku jedinicu umjesto na logičku nulu, počevši od komparatora odgovornog za najmanji bitni bit. Pretvornik možete zamisliti kao živin termometar: kako temperatura raste, živi se stupac diže. 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 iz izlaza komparatora u binarni 3-bitni kod.

Paralelni ADC-i 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 razlučivost od 12, 14 ili 16 bita i nije potrebna visoka stopa pretvorbe, ali su faktori koji određuju niska cijena i niska potrošnja energije, tada se obično koriste SAR ADC-ovi. Ova vrsta ADC-a najčešće se koristi u raznim instrumentima i sustavima za prikupljanje podataka. Trenutno, uzastopni aproksimacijski ADC-i mogu mjeriti napon s točnošću od 16 bita sa stopom uzorkovanja od 100K (1x10 3) do 1M (1x10 6) brojanja / sec.

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

Riža. 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 polovice ulaznog raspona ADC-a, tada 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 pretvorbe, izlazni napon DAC-a je manji od ulaznog napona (slika 4), a komparator se prebacuje na logičku 1. To daje upute sukcesivnom registru aproksimacije da zadrži "1" u drugom bitu i primijeni "1" do trećeg bita. Opisani algoritam operacije se zatim opet ponavlja do posljednjeg bita. Dakle, SAR ADC zahtijeva jedan interni takt pretvorbe za svaki bit, ili N ciklusa takta za N-bitnu pretvorbu.

Riža. 4. Pretvorba 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 pretvorbe trebao bi se postaviti u isto vrijeme. Ali zapravo je taj jaz u prvim mjerama puno veći nego u posljednjim. Stoga je vrijeme pretvorbe 16-bitnog SAR ADC-a više nego dvostruko veće od vremena pretvorbe ove vrste 8-bitnog ADC-a.

Većina mjerenja često ne zahtijeva ADC sa stopom konverzije koju daje SAR ADC, ali je potrebna veća razlučivost. Sigma-delta ADC-i mogu pružiti do 24-bitne rezolucije, ali su inferiorniji u brzini pretvorbe. 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-ovi koriste u raznim sustavima za prikupljanje podataka i instrumentaciji (tlak, temperatura, težina, itd.) kada nije potrebna visoka stopa uzorkovanja i potrebna je razlučivost veća od 16 bita.

Princip rada sigma-delta ADC-a teže je razumjeti. Ova arhitektura pripada klasi integrirajućih ADC-a. Ali glavna značajka sigma-delta ADC-a je da brzina uzorkovanja, pri kojoj se analizira razina 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 pretvorbe od 100K uzoraka/s, koji koristi stopu preduzorkovanja 128 puta veću, uzorkovat će vrijednosti ulaznog analognog signala s 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 spojeni na komparator, koji je zauzvrat spojen na 1-bitni DAC u povratnoj petlji. Kroz niz uzastopnih iteracija, integrator, komparator, DAC i zbrajač proizvode serijski tok bitova koji sadrži informacije o ulaznom naponu.

Riža. 5. Sigma-delta ADC

Rezultirajuća digitalna sekvenca se zatim dovodi u niskopropusni filtar kako bi se potisnule komponente s frekvencijama iznad Kotelnikove frekvencije (koja je polovica stope 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 unutarnji digitalni niskopropusni filtar u Sigma-Delta ADC-u sastavni dio procesa pretvorbe, vrijeme uspostavljanja niskopropusnog filtra postaje faktor koji treba uzeti u obzir kada je ulazni signal isprekidan. Na primjer, kada mijenjate ulazni multipleksor ili prebacujete mjernu granicu uređaja, morate pričekati da prođe nekoliko očitanja ADC-a prije čitanja ispravnih izlaznih podataka.

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

Integriranje ADC-a

I posljednja vrsta ADC-a, o kojoj će ovdje biti riječi, je push-pull integracijski ADC. U digitalnim multimetrima, u pravilu se koriste takvi ADC-i, budući da ovi mjerači zahtijevaju kombinaciju visoke rezolucije i visoke supresije šuma. Ideja pretvorbe 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 razdoblju, što je obično jedan ciklus mrežne frekvencije (50 ili 60 Hz) ili višestruki. Integriranjem ulaznog signala za ovo vrijeme potiskuje se visokofrekventni šum. Istodobno je isključen utjecaj nestabilnosti napona mrežnog napajanja na točnost pretvorbe. 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.

Riža. 6. Integriranje ADC-a. Šum iz mreže prikazan je zelenom bojom (1 točka)

Na kraju vremena punjenja, ADC prazni kondenzator fiksnom brzinom, dok unutarnji brojač broji broj taktnih impulsa tijekom vremena pražnjenja kondenzatora. Dulje vrijeme pražnjenja, dakle, odgovara većoj vrijednosti očitanja brojila i višem izmjerenom naponu (slika 6.).

ADC-ovi push-pull integracije imaju visoku točnost i visoku rezoluciju, a također imaju relativno jednostavnu strukturu. To omogućuje njihovo izvođenje u obliku integriranih sklopova. Glavni nedostatak takvih ADC-a je dugo vrijeme pretvorbe zbog vezanja razdoblja integracije na trajanje razdoblja opskrbne mreže. Na primjer, za opremu od 50 Hz, stopa uzorkovanja push-pull integracijskog ADC-a ne prelazi 25 uzoraka / sec. Naravno, takvi ADC-i mogu raditi s većom stopom uzorkovanja, ali s povećanjem potonjeg, otpornost na buku se smanjuje.

ADC specifikacija

Postoje opće definicije koje se obično koriste za analogno-digitalne pretvarače. Međutim, specifikacije navedene u podatkovnim tablicama proizvođača ADC-a mogu izgledati prilično zbunjujuće. Ispravan izbor optimalnog ADC-a u smislu kombinacije njegovih karakteristika za konkretnu primjenu zahtijeva točnu interpretaciju podataka navedenih u tehničkoj dokumentaciji.

Parametri koji se najčešće brkaju su rezolucija i točnost, 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 točni od 8-bitnih. Za ADC, rezolucija je mjera na koliko se segmenata može podijeliti ulazni raspon analognog signala koji se mjeri (na primjer, za 8-bitni ADC, to je 28 = 256 segmenata). Točnost karakterizira ukupno odstupanje rezultata pretvorbe od njegove idealne vrijednosti za zadani ulazni napon. To jest, razlučivost karakterizira potencijalne sposobnosti ADC-a, a skup parametara preciznosti određuje izvedivost takve potencijalne sposobnosti.

ADC pretvara analogni ulazni signal u digitalni izlazni kod. Za stvarne pretvarače proizvedene u obliku integriranih sklopova, proces pretvorbe nije idealan: na njega utječu i tehnološka varijacija parametara tijekom proizvodnje i razne vanjske smetnje. Stoga se digitalni kod na izlazu ADC-a određuje s greškom. Specifikacije za ADC ukazuju na pogreške koje daje sam pretvarač. Obično se dijele na statičke i dinamičke. U ovom slučaju, konačna primjena je ta koja određuje koje će se karakteristike ADC-a smatrati odlučujućim, najvažnijim u svakom konkretnom slučaju.

Statička pogreška

U većini primjena, ADC se koristi za mjerenje sporo mijenjajućeg, niskofrekventnog signala (na primjer, iz senzora temperature, tlaka, mjerača naprezanja, itd.) kada je ulazni napon proporcionalan relativno konstantnoj fizičkoj veličini. Ovdje glavnu ulogu igra statička pogreška mjerenja. ADC specifikacija definira ovu vrstu pogreške kao pomak, punu skalu, DNL, ​​INL i grešku kvantizacije. Ovih pet karakteristika vam omogućuje da u potpunosti opišete statičku pogrešku ADC-a.

Idealna karakteristika prijenosa ADC-a

Prijenosna karakteristika ADC-a je funkcija ovisnosti koda na izlazu ADC-a o naponu 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 prijelaza s jedne vrijednosti koda na drugu), tada će idealna karakteristika prijenosa biti ravna crta koja prolazi kroz ishodište.

Riža. 7. Idealna prijenosna karakteristika 3-bitnog ADC-a

Riža. Slika 7 ilustrira idealnu prijenosnu karakteristiku za 3-bitni ADC s prijelomnim točkama na granicama prijelaza 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). Također treba napomenuti da će ADC postići kodnu vrijednost pune skale (111b) na 7/8 pune skale, a ne na punoj skali. Da. prijelaz na maksimalnu vrijednost na izlazu se ne događa pri naponu pune ljestvice, već pri vrijednosti manjoj od najmanjeg značajnog bita (LSB) od ulaznog napona pune skale. Prijenosna karakteristika može se realizirati s pomakom od -1/2 LSB. To se postiže pomicanjem prijenosne karakteristike ulijevo, čime se greška kvantizacije pomiče iz -1 ... 0 LSB raspona u -1/2 ... +1/2 LSB raspona.

Riža. 8. Prijenosna karakteristika 3-bitnog ADC-a s pomakom od -1 / 2LSB

Zbog tehnološke varijacije parametara u proizvodnji integriranih sklopova, pravi ADC nemaju idealnu prijenosnu karakteristiku. Odstupanja od idealne prijenosne karakteristike određuju statičku pogrešku ADC-a i navedena su u tehničkoj dokumentaciji.

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

Riža. 9. Pogreška aditiva (pogreška pomaka)

Multiplikativna pogreška

Multiplikativna pogreška (pogreška pune skale) je razlika između idealne i stvarne karakteristike prijenosa u točki maksimalne izlazne vrijednosti, uz pretpostavku nulte aditivne pogreške (bez pristranosti). To se očituje kao promjena nagiba prijenosne funkcije, što je ilustrirano na sl. 10.

Riža. 10. Multiplikativna pogreška (pogreška pune skale)

Za idealnu karakteristiku prijenosa ADC-a širina svakog "koraka" treba biti ista. Razlika u duljini horizontalnih segmenata ove djeličaste 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. Odstupanje ove razlike od LSB definira se kao diferencijalna nelinearnost. To je na slici prikazano kao nejednake praznine između "koraka" koda ili kao "zamagljivanje" prijelaznih granica na prijenosnoj karakteristici ADC-a.

Riža. 11. Diferencijalna nelinearnost (DNL)

Integralna nelinearnost

Integralna nelinearnost (INL) je greška koja je uzrokovana odstupanjem linearne funkcije odziva prijenosa ADC-a od ravne linije, kao što je prikazano na sl. 12. Prijenosna funkcija s integralnom nelinearnošću obično se aproksimira ravnom linijom metodom najmanjih kvadrata. Često puta, aproksimirajuća ravna crta jednostavno povezuje najnižu i najvišu vrijednost. Integralna nelinearnost utvrđuje se usporedbom napona pri kojima se javljaju prijelazi koda. Za idealan ADC, ovi prijelazi će se dogoditi na točno višekratnicima LSB ulaznog napona. A za pravi pretvarač, takav se uvjet može ispuniti greškom. Razlika između "idealnih" razina napona, na kojima dolazi do prijelaza koda, i njihovih stvarnih vrijednosti, izražava se u LSB jedinicama i naziva se integralna nelinearnost.

Riža. 12. Integralna nelinearnost (INL)

Pogreška kvantizacije

Jedan od najvažnijih faktora koji doprinosi pogrešci mjerenja ADC-a, pogreška kvantizacije, rezultat je samog procesa pretvorbe. Pogreška kvantizacije je pogreška uzrokovana vrijednošću koraka kvantizacije i definirana je kao? vrijednosti najmanjeg značajnog bita (LSB). Ne može se isključiti u analogno-digitalnim pretvorbama, budući da je sastavni dio procesa pretvorbe, određen je razlučivosti ADC-a i ne mijenja se iz ADC-a u ADC s jednakom razlučivosti.

Dinamičke karakteristike

Dinamičke karakteristike ADC-a obično se 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. Slika 13 prikazuje primjer frekvencijskog spektra mjerenog signala. Nulti harmonik odgovara osnovnoj frekvenciji ulaznog signala. Sve ostalo je šum, koji sadrži harmonijsko izobličenje, toplinski šum, 1/f šum i šum kvantizacije. Neke komponente buke stvara sam ADC, neke mogu doći na ulaz ADC-a iz vanjskih krugova. Harmoničko izobličenje, na primjer, može biti sadržano u mjerenom signalu i istovremeno generirano od strane ADC-a tijekom procesa pretvorbe.

Riža. 13. Rezultat izvođenja FFT-a na izlaznim podacima ADC-a

Omjer signala i šuma

Omjer 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 omogućuje da odredite udio šuma u izmjerenom signalu u odnosu na korisni signal.

Riža. 14. SNR - omjer signala i šuma

Riža. 15. FFT odražava harmonijsko izobličenje

Šum izmjeren u SNR izračunu ne uključuje harmonijsko izobličenje, ali uključuje šum kvantizacije. Za ADC s određenom razlučivosti, šum kvantizacije je taj 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 jednoliku frekvencijsku raspodjelu. Stoga se veličina ovog šuma ne može smanjiti povećanjem vremena pretvorbe, a zatim usrednjavanjem rezultata. Šum kvantizacije može se smanjiti samo mjerenjem s većim ADC-om.

Posebnost sigma-delta ADC-a je da je spektar šuma kvantizacije neravnomjerno raspoređen u frekvenciji – pomaknut je prema visokim frekvencijama. Stoga je povećanjem vremena mjerenja (i, sukladno tome, broja uzoraka mjerenog signala), akumuliranjem i potom usrednjavanjem dobivenog uzorka (niskopropusni filtar) moguće dobiti rezultat mjerenja s većom točnošću. Naravno, ukupno vrijeme konverzije će se u ovom slučaju povećati.

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

Totalno harmonijsko izobličenje

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

Ovo izobličenje se naziva totalno harmonijsko izobličenje (THD). Oni su definirani kao:

Količina harmonijskog izobličenja se smanjuje na visokim frekvencijama do točke u kojoj amplituda harmonika postaje manja od razine šuma. Dakle, ako analiziramo doprinos harmonijskog izobličenja rezultatima pretvorbe, to se može učiniti ili u cijelom frekvencijskom spektru, uz ograničavanje amplitude harmonika razinom šuma, ili ograničavanje frekvencijskog pojasa za analizu. Na primjer, ako naš sustav ima niskopropusni filtar, tada nam visoke frekvencije jednostavno nisu zanimljive i visokofrekventni harmonici ne podliježu razmatranju.

Omjer signala i šuma i izobličenja

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

Riža. 16. Dinamički raspon, bez harmonika

Specifikacija ADC-a, navedena u tehničkoj dokumentaciji za mikro krugove, pomaže razumno odabrati pretvarač za određenu primjenu. Kao primjer, razmotrite specifikaciju ADC integriranog u novi C8051F064 mikrokontroler iz Silicon Laboratories.

Mikrokontroler C8051F064

Kristal C8051F064 je brzi 8-bitni mikrokontroler za zajedničku obradu analognih i digitalnih signala s dva integrirana 16-bitna SAR ADC-a. Ugrađeni ADC-i mogu raditi u jednožičnom i diferencijalnom načinu rada s maksimalnom propusnošću do 1M brojanja/s. U tablici 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 evaluacijsku ploču temeljenu na C8051F064, USB kabel, dokumentaciju i softver za testiranje analognih dinamičkih i statičkih karakteristika integriranog visokopreciznog 16-bitnog ADC-a.

Stol. 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

Riža. 17. Komplet za ocjenjivanje C8051F064EK

Književnost

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

Wolfgang Reis (WBC GmbH)

Pri korištenju računala za obradu informacija s raznih uređaja (objekata, procesa), u kojima se informacija predstavlja 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)