Transformarea informațiilor analogice în formă digitală. Ce este ACP

- un circuit electronic care primește două semnale analogice la intrările sale și scoate un „0” sau „1” logic, în funcție de care dintre semnale este mai mare.

Cele două intrări analogice sunt denumite neinversoare(+) și inversarea (-). Dacă tensiunea la intrarea neinversoare este mai mare decât la intrarea inversoare, semnalul de ieșire este egal cu „1” logic, în caz contrar - cu „0” logic.
Când este activat, comparatorul vă permite să comparați valorile tensiunii prezente la intrările corespunzătoare ale microcontrolerului.
Rezultatul comparației este o valoare booleană care poate fi citită în cadrul programului. Pe baza rezultatului comparației, poate fi generată o întrerupere și poate fi capturată și starea cronometrului.
Pentru ca pinii microcontrolerului cu funcția alternativă adecvată să fie utilizați ca comparator analogic, aceștia trebuie configurați ca intrări analogice.

Convertor analog-digital

Convertor analog-digital(ADC) este un dispozitiv care convertește semnalul analogic de intrare într-un cod discret (semnal digital), cel mai adesea binar. Transformarea inversă se realizează folosind convertor digital-analogic(DAC).
Orice cantitate fizică în continuă schimbare sau echivalentul acesteia poate acționa ca un semnal analogic. Cel mai adesea, un semnal de tensiune echivalent este utilizat ca semnal de intrare pentru a obține informații digitale despre temperatură, curent, umiditate etc.
Majoritatea convertoarelor analog-digitale sunt liniare, ceea ce înseamnă că gama de valori de intrare mapate la o valoare digitală de ieșire este legată liniar de acea valoare de ieșire. Baza pentru construirea unui ADC este un comparator analogic.
Rezoluția ADC este modificarea minimă a valorii unui semnal analogic care poate fi convertită de un anumit ADC. De obicei, măsurată în volți.


Adâncimea de biți a ADC caracterizează numărul de valori discrete pe care convertorul le poate produce la ieșire. Măsurat în biți. De exemplu, un ADC capabil să iasă 2 8 =256 valori discrete (0..255), are o capacitate de 8 biți.
este egală cu diferența dintre tensiunile corespunzătoare codului de ieșire maxim și minim, împărțit la numărul de valori discrete de ieșire.

Unde N- adâncimea de biți a ADC.
În acest caz, tensiunea la intrarea convertorului poate fi estimată cunoscând valoarea digitală obținută a conversiei analog-digital valoare

În practică, rezoluția unui ADC este limitată de raportul semnal-zgomot al semnalului de intrare. Cu o intensitate mare a zgomotului la intrarea ADC, devine imposibil să distingem nivelurile adiacente ale semnalului de intrare, adică rezoluția se deteriorează. În acest caz, este descrisă rezoluția efectiv realizabilă adâncimea efectivă de biți(numărul efectiv de biți - ENOB), care este mai mică decât adâncimea reală de biți a ADC. La conversia unui semnal foarte zgomotos, biții inferiori ai codului de ieșire sunt practic inutili, deoarece conțin zgomot.

Eșantionarea semnalului se numește conversie de măsurare a unui semnal continuu x(t)în secvența valorilor instantanee ale acestui semnal X(k i T) corespunzătoare anumitor momente de timp k i T (T este etapa de eșantionare).


Discretizarea semnalului în timp poate fi realizată cu un pas constant T= pas constant sau variabil T= var.

Frecvența de eșantionare– frecvența cu care se realizează conversia semnalului analog-digital.
Timp de conversie este timpul de la începutul conversiei până la apariția codului corespunzător la ieșirea ADC.
Tensiune de referință este tensiunea corespunzătoare codului de ieșire maximă.

Deoarece ADC-urile reale nu pot efectua conversie A/D instantanee, valoarea de intrare analogică trebuie menținută constantă cel puțin de la începutul până la sfârșitul procesului de conversie (acest interval de timp se numește timpul de conversie). Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea unui circuit special la intrarea ADC - dispozitive de reținere a probelor(UVH). SHA stochează de obicei tensiunea de intrare într-un condensator, care este conectat la intrare printr-un comutator analogic: când comutatorul este închis, semnalul de intrare este eșantionat (condensatorul este încărcat la tensiunea de intrare) și când comutatorul este deschis. , este stocat. De regulă, modulele ADC conțin un SHA încorporat.

Articolul descrie dispozitivul și principiile de funcționare ale convertoarelor analog-digitale de diferite tipuri, precum și principalele caracteristici ale acestora, indicate de producători în documentație.

Convertorul analog-digital (ADC) este una dintre cele mai importante componente electronice în echipamentele de măsurare și testare. ADC convertește tensiunea (semnal analogic) într-un cod pe care microprocesorul și software-ul efectuează anumite acțiuni. Chiar dacă lucrați doar cu semnale digitale, cel mai probabil folosiți un ADC pe osciloscop pentru a afla caracteristicile analogice ale acestora.

Există mai multe tipuri de bază de arhitectură ADC, deși există și multe variații în cadrul fiecărui tip. Diferite tipuri de echipamente de măsurare utilizează diferite tipuri de ADC. De exemplu, un osciloscop digital folosește o rată mare de eșantionare, dar nu necesită o rezoluție mare. Multimetrele digitale au nevoie de mai multă rezoluție, dar puteți sacrifica viteza de măsurare. Sistemele de achiziție de date de uz general se clasează de obicei între osciloscoape și multimetre digitale în ceea ce privește rata de eșantionare și rezoluție. Acest tip de echipament utilizează un ADC de aproximare succesivă sau un ADC sigma-delta. Există, de asemenea, ADC-uri paralele pentru aplicații care necesită procesare de semnal analogic de mare viteză și ADC-uri de integrare cu rezoluție înaltă și reducerea zgomotului.

În Fig.1. capabilitățile principalelor arhitecturi ADC sunt afișate în funcție de rezoluție și rata de eșantionare.

Orez. 1. Tipuri de ADC - rezoluție în funcție de rata de eșantionare

ADC-uri paralele

Majoritatea osciloscoapelor de mare viteză și unele instrumente de înaltă frecvență folosesc ADC-uri paralele din cauza vitezei lor mari de conversie, care poate ajunge la 5 Hz (5 x 10 9) mostre/sec pentru dispozitive standard și 20 Hz mostre/sec pentru modelele originale. ADC-urile paralele au de obicei o rezoluție de până la 8 biți, dar sunt disponibile și versiuni pe 10 biți.

Orez. 2. Conversie paralelă ADC

Orez. 2 prezintă o diagramă bloc simplificată a unui ADC paralel pe 3 biți (pentru convertoare cu rezoluții mai mari, principiul de funcționare este același). Utilizează o serie de comparatoare, fiecare comparând tensiunea de intrare cu o tensiune de referință individuală. O astfel de tensiune de referință pentru fiecare comparator este formată pe divizorul rezistiv de precizie încorporat. Referințele de tensiune încep de la jumătatea cifrei cel mai puțin semnificative (LSB) și cresc cu fiecare comparator succesiv în trepte de V REF /2 3 . Ca rezultat, un ADC pe 3 biți necesită 2 3 -1 sau șapte comparatoare. Și, de exemplu, pentru un ADC paralel pe 8 biți, vor fi necesari 255 (sau (2 8 -1)) comparatoare.

Pe măsură ce tensiunea de intrare crește, comparatoarele își setează secvențial ieșirile la unu logic în loc de la zero logic, începând cu comparatorul responsabil pentru bitul cel mai puțin semnificativ. Vă puteți imagina convertizorul ca un termometru cu mercur: pe măsură ce temperatura crește, coloana de mercur crește. Pe fig. 2, tensiunea de intrare se încadrează între V3 și V4, astfel încât cele 4 comparatoare de jos ies „1” și cele trei comparatoare de sus ies „0”. Decodorul convertește (2 3 -1) - cuvânt digital de biți de la ieșirile comparatoarelor într-un cod binar de 3 biți.

ADC-urile paralele sunt dispozitive relativ rapide, dar au dezavantajele lor. Datorită necesității de a utiliza un număr mare de comparatoare, ADC-urile paralele consumă energie semnificativă și nu sunt practice pentru aplicațiile alimentate cu baterii.

Atunci când este necesară o rezoluție de 12, 14 sau 16 biți și nu este necesară o viteză mare de conversie, iar prețul scăzut și consumul redus de energie sunt factorii determinanți, sunt de obicei utilizate ADC-uri de aproximare succesivă. Acest tip de ADC este cel mai frecvent utilizat într-o varietate de instrumente și sisteme de achiziție de date. În prezent, ADC-urile de aproximare succesive permit măsurarea tensiunii cu o precizie de până la 16 biți cu o rată de eșantionare de la 100K (1x10 3) la 1M (1x10 6) mostre/sec.

Orez. 3 prezintă o diagramă bloc simplificată a unui ADC de aproximare succesivă. Acest tip de ADC se bazează pe un registru special de aproximare succesivă. La începutul ciclului de conversie, toate ieșirile acestui registru sunt setate la 0 logic, cu excepția primului (cel mai mare) bit. Aceasta generează un semnal la ieșirea convertorului intern digital-analogic (DAC) a cărui valoare este egală cu jumătate din intervalul de intrare al ADC. Și ieșirea comparatorului trece la o stare care determină diferența dintre semnalul de la ieșirea DAC și tensiunea de intrare măsurată.

Orez. 3. SAR ADC

De exemplu, pentru un ADC SAR pe 8 biți (Figura 4), ieșirile registrului sunt setate la „10000000”. Dacă tensiunea de intrare este mai mică de jumătate din intervalul de intrare al ADC, atunci ieșirea comparatorului va fi 0 logic. Acest lucru indică registrului de aproximare succesiv să-și comute ieșirile în starea „01000000”, care va schimba în consecință tensiunea de ieșire. de la DAC la comparator. Dacă ieșirea comparatorului ar rămâne totuși la „0”, atunci ieșirile registrului ar trece la starea „00100000”. Dar la acest ciclu de conversie, tensiunea de ieșire a DAC-ului este mai mică decât tensiunea de intrare (Fig. 4), iar comparatorul comută la o stare logică 1. Acest lucru indică registrului de aproximare succesiv să stocheze un „1” în al doilea bit. și aplicați un „1” celui de-al treilea bit. Algoritmul de operare descris este apoi repetat din nou până la ultima cifră. Astfel, un ADC de aproximare succesivă necesită un ceas de conversie intern pe bit sau N ceasuri pentru o conversie de N biți.

Orez. 4. Conversia în ADC a aproximărilor succesive

Cu toate acestea, funcționarea ADC de aproximare succesivă are o particularitate asociată cu tranzitorii în DAC-ul intern. Teoretic, tensiunea la ieșirea DAC pentru fiecare dintre cele N cicluri de conversie internă ar trebui setată în aceeași perioadă de timp. Dar de fapt, acest interval în primele bare este mult mai mare decât în ​​ultimele. Prin urmare, timpul de conversie al unui ADC cu aproximare succesivă de 16 biți este mai mult de două ori mai mare decât timpul de conversie al unui ADC cu aproximare succesivă de 8 biți.

Cele mai multe măsurători adesea nu necesită un ADC cu viteza de conversie pe care o oferă un ADC de aproximare succesiv, dar este nevoie de o rezoluție înaltă. ADC-urile Sigma-delta pot oferi până la 24 de biți de rezoluție, dar sunt inferioare ca viteză de conversie. Deci, într-un ADC sigma-delta la 16 biți, puteți obține o rată de eșantionare de până la 100K mostre/sec, iar la 24 de biți această frecvență scade la 1K mostre/sec sau mai puțin, în funcție de dispozitiv.

În mod obișnuit, ADC-urile sigma-delta sunt utilizate într-o varietate de sisteme de achiziție de date și în echipamente de măsurare (măsurarea presiunii, temperaturii, greutății etc.) atunci când nu este necesară o rată mare de eșantionare și este necesară o rezoluție de peste 16 biți.

Principiul de funcționare al ADC sigma-delta este mai greu de înțeles. Această arhitectură aparține clasei ADC-urilor integratoare. Dar principala caracteristică a ADC sigma-delta este că frecvența de eșantionare, la care este analizat efectiv nivelul de tensiune al semnalului măsurat, depășește semnificativ rata de eșantionare la ieșirea ADC (frecvența de eșantionare). Această rată de eșantionare se numește rata de reeșantionare. De exemplu, un ADC sigma-delta cu o rată de conversie de 100K mostre/sec, care utilizează o rată de reeșantionare de 128 de ori mai rapidă, va eșantiona semnalul analog de intrare la o rată de 12,8M mostre/sec.

Schema bloc a ADC sigma-delta de ordinul întâi este prezentată în fig. 5. Un semnal analogic este aplicat unui integrator ale cărui ieșiri sunt conectate la un comparator, care la rândul său este conectat la un DAC de 1 bit într-o buclă de feedback. Printr-o serie de iterații succesive, integratorul, comparatorul, DAC-ul și sumatorul produc un flux de biți seriali care conține informații despre mărimea tensiunii de intrare.

Orez. 5. ADC Sigma-Delta

Secvența digitală rezultată este apoi alimentată la un filtru trece-jos pentru a suprima componentele peste frecvența Kotelnikov (jumătate din rata de eșantionare ADC). După îndepărtarea componentelor de înaltă frecvență, următorul nod - decimatorul - subțiază datele. În ADC-ul pe care îl luăm în considerare, decimatorul va lăsa 1 bit din fiecare 128 recepționați în secvența digitală de ieșire.

Deoarece filtrul digital trece-jos intern din ADC-ul sigma-delta este o parte integrantă a procesului de conversie, timpul de stabilire a filtrului trece-jos devine un factor de luat în considerare atunci când săriți semnalul de intrare. De exemplu, atunci când comutați multiplexorul de intrare sau când comutați limita de măsurare a dispozitivului, este necesar să așteptați până când au trecut mai multe mostre ADC și abia apoi să citiți datele de ieșire corecte.

Un avantaj suplimentar și foarte important al ADC sigma-delta este că toate unitățile sale interne pot fi realizate integral pe zona unui cip de siliciu. Acest lucru reduce semnificativ costul dispozitivelor finale și crește stabilitatea caracteristicilor ADC.

Integrarea ADC-urilor

Iar ultimul tip de ADC care va fi discutat aici este ADC-ul push-pull. În multimetrele digitale, de regulă, sunt utilizate doar astfel de ADC-uri, deoarece. aceste instrumente necesită o combinație de rezoluție ridicată și suprimare ridicată a zgomotului. Ideea de conversie într-un astfel de ADC integrator este mult mai puțin complicată decât într-un ADC sigma-delta.

Figura 6 arată cum funcționează un ADC push-pull. Semnalul de intrare încarcă condensatorul pentru o perioadă fixă ​​de timp, care este de obicei un ciclu al frecvenței rețelei (50 sau 60 Hz) sau un multiplu al acesteia. La integrarea semnalului de intrare pe o perioadă de timp de această durată, zgomotul de înaltă frecvență este suprimat. În același timp, influența instabilității tensiunii de alimentare a rețelei de alimentare asupra preciziei de conversie este eliminată. Acest lucru se datorează faptului că valoarea integralei semnalului sinusoidal este zero dacă integrarea este efectuată pe un interval de timp care este un multiplu al perioadei modificării sinusoidale.

Orez. 6. Integrarea ADC. Culoarea verde arată interferența de la rețea (1 perioadă)

La sfârșitul timpului de încărcare, ADC-ul descarcă condensatorul la o rată fixă, în timp ce un contor intern numără numărul de impulsuri de ceas în timpul descărcării condensatorului. Prin urmare, un timp de descărcare mai lung corespunde unei citiri mai mari ale contorului și unei tensiuni măsurate mai mari (Fig. 6).

ADC-urile push-pull au o precizie ridicată și o rezoluție ridicată și, de asemenea, au o structură relativ simplă. Acest lucru face posibilă implementarea lor sub formă de circuite integrate. Principalul dezavantaj al unor astfel de ADC-uri este timpul lung de conversie, din cauza legării perioadei de integrare de durata perioadei de alimentare. De exemplu, pentru echipamentele de 50 Hz, rata de eșantionare a ADC-ului push-pull nu depășește 25 de mostre/sec. Desigur, astfel de ADC-uri pot funcționa și cu o rată de eșantionare mai mare, dar pe măsură ce aceasta din urmă crește, imunitatea la zgomot scade.

Specificația ADC

Există definiții generale care sunt utilizate în mod obișnuit în legătură cu convertoarele analog-digitale. Cu toate acestea, specificațiile date în documentația tehnică a producătorilor de ADC pot părea destul de confuze. Alegerea corectă a ADC-ului care este optim în ceea ce privește caracteristicile sale pentru o anumită aplicație necesită o interpretare corectă a datelor prezentate în documentația tehnică.

Parametrii cel mai frecvent confuzi sunt rezoluția și acuratețea, deși aceste două caracteristici ale unui ADC real sunt extrem de slab legate. Rezoluția nu este identică cu precizia, un ADC pe 12 biți poate avea o precizie mai mică decât un ADC pe 8 biți. Pentru un ADC, rezoluția este o măsură a câte segmente poate fi împărțită în intervalul de intrare al semnalului analog măsurat (de exemplu, pentru un ADC pe 8 biți, acesta este 28 = 256 de segmente). Precizia caracterizează abaterea totală a rezultatului conversiei de la valoarea sa ideală pentru o anumită tensiune de intrare. Adică, rezoluția caracterizează capabilitățile potențiale ale ADC, iar setul de parametri de precizie determină fezabilitatea unei astfel de capacități potențiale.

ADC convertește semnalul analogic de intrare într-un cod digital de ieșire. Pentru convertoarele reale fabricate sub formă de circuite integrate, procesul de conversie nu este ideal: este afectat atât de răspândirea tehnologică a parametrilor în timpul producției, cât și de diverse interferențe externe. Prin urmare, codul digital de la ieșirea ADC este determinat cu o eroare. Specificația pentru ADC indică erorile pe care le dă convertorul însuși. Ele sunt de obicei împărțite în statice și dinamice. În acest caz, aplicația finală este cea care determină care caracteristici ale ADC vor fi considerate decisive, cele mai importante în fiecare caz specific.

Eroare statică

În majoritatea aplicațiilor, un ADC este utilizat pentru a măsura un semnal de joasă frecvență care variază lent (de exemplu, de la un senzor de temperatură, senzor de presiune, tensiometru etc.) unde tensiunea de intrare este proporțională cu o mărime fizică constantă. Aici rolul principal este jucat de eroarea statică de măsurare. În specificația ADC, acest tip de eroare este definit prin eroare aditivă (Offset), eroare multiplicativă (Full-Scale), neliniaritate diferențială (DNL), neliniaritate integrală (INL) și eroare de cuantizare. Aceste cinci caracteristici vă permit să descrieți complet eroarea statică a ADC.

Răspunsul de transfer ideal al ADC

Caracteristica de transfer a unui ADC este o funcție a dependenței codului de la ieșirea ADC de tensiunea de la intrarea sa. Un astfel de grafic este o funcție liniară pe bucăți de 2N „pași”, unde N este adâncimea de biți ADC. Fiecare segment orizontal al acestei funcții corespunde uneia dintre valorile codului de ieșire ADC (a se vedea Fig. 7). Dacă conectăm începuturile acestor segmente orizontale cu linii (la limitele tranziției de la o valoare de cod la alta), atunci caracteristica ideală de transfer va fi o linie dreaptă care trece prin origine.

Orez. 7. Caracteristica ideală de transfer a ADC pe 3 biți

Orez. 7 ilustrează caracteristica de transfer ideală pentru un ADC pe 3 biți cu puncte de întrerupere la granițele de tranziție a codului. Codul de ieșire ia cea mai mică valoare (000b) atunci când semnalul de intrare este între 0 și 1/8 scară completă (valoarea maximă a codului acestui ADC). De asemenea, rețineți că ADC va atinge valoarea codului de scară completă (111b) la 7/8 din scara maximă, nu la scara maximă. Acea. Trecerea la valoarea maximă la ieșire nu are loc la tensiunea de scară completă, ci la o valoare mai mică decât cifra cea mai puțin semnificativă (LSB) decât tensiunea de scară maximă de intrare. Caracteristica de transfer poate fi implementată cu un offset de -1/2 LSB. Acest lucru se realizează prin deplasarea caracteristicii de transfer la stânga, care deplasează eroarea de cuantizare de la -1...0 LSB la -1/2...+1/2 LSB.

Orez. 8. Caracteristica de transfer a unui ADC de 3 biți compensat cu -1/2LSB

Datorită răspândirii tehnologice a parametrilor în fabricarea circuitelor integrate, ADC-urile reale nu au o caracteristică de transfer ideală. Abaterile de la caracteristica ideală de transfer determină eroarea statică a ADC și sunt date în documentația tehnică.

Caracteristica ideală de transfer a ADC traversează originea, iar prima tranziție de cod are loc atunci când este atinsă valoarea de 1 LSB. Eroarea aditivă (eroarea de compensare) poate fi definită ca deplasarea întregii caracteristici de transfer la stânga sau la dreapta în raport cu axa tensiunii de intrare, așa cum se arată în Fig. 9. Astfel, un offset de 1/2 LSB este inclus în mod deliberat în definiția erorii ADC aditive.

Orez. 9. Eroare aditivă (Eroare de compensare)

Eroare de multiplicare

Eroarea multiplicativă (eroarea la scară completă) este diferența dintre caracteristicile de transfer ideal și real în punctul de valoare maximă de ieșire în condiția erorii aditive zero (fără compensare). Aceasta se manifestă ca o modificare a pantei funcției de transfer, care este ilustrată în Fig. 10.

Orez. 10. Eroare multiplicativă (Eroare la scară completă)

Pentru o caracteristică ideală de transfer ADC, lățimea fiecărui „pas” ar trebui să fie aceeași. Diferența de lungime a segmentelor orizontale ale acestei funcții liniare pe bucăți de 2N „trepte” este o neliniaritate diferențială (DNL).

Valoarea celui mai puțin semnificativ bit al ADC este Vref/2N, unde Vref este tensiunea de referință, N este rezoluția ADC. Diferența de tensiune dintre fiecare tranziție de cod trebuie să fie egală cu valoarea LSB. Abaterea acestei diferențe de la LSB este definită ca neliniaritate diferențială. În figură, aceasta este prezentată ca decalaje inegale între „pașii” codului sau ca „neclararea” limitelor de tranziție pe caracteristica de transfer a ADC.

Orez. 11. Neliniaritate diferențială (DNL)

Neliniaritate integrală

Neliniaritatea integrală (INL) este o eroare care este cauzată de abaterea funcției liniare a caracteristicii de transfer ADC de la o linie dreaptă, așa cum se arată în Fig. 12. De obicei, o funcție de transfer cu o neliniaritate integrală este aproximată printr-o linie dreaptă folosind metoda celor mai mici pătrate. Adesea, linia dreaptă potrivită conectează pur și simplu cele mai mici și cele mai mari valori. Neliniaritatea integrală este determinată prin compararea tensiunilor la care au loc tranzițiile de cod. Pentru un ADC ideal, aceste tranziții vor avea loc la tensiuni de intrare care sunt exact multipli de LSB. Și pentru un convertor real, o astfel de condiție poate fi îndeplinită cu o eroare. Diferența dintre nivelurile de tensiune „ideale” la care are loc tranziția codului și valorile lor reale este exprimată în unități LSB și se numește neliniaritate integrală.

Orez. 12. Neliniaritate integrală (INL)

Eroare de cuantizare

Una dintre cele mai semnificative componente de eroare în măsurătorile ADC, eroarea de cuantizare, este rezultatul procesului de conversie în sine. Eroarea de cuantizare este eroarea cauzată de valoarea pasului de cuantizare și este definită ca? valoarea cifrei cele mai puțin semnificative (LSB). Nu poate fi exclus în conversiile analog-digitale, deoarece este o parte integrantă a procesului de conversie, este determinată de rezoluția ADC și nu se schimbă de la ADC la ADC cu rezoluție egală.

Caracteristici dinamice

Caracteristicile dinamice ale unui ADC sunt de obicei determinate folosind analiza spectrală, din rezultatele efectuării unei transformări rapide Fourier (FFT) pe o serie de valori de ieșire ADC corespunzătoare unui semnal de intrare de testare.

Pe fig. 13 prezintă un exemplu de spectru de frecvență al semnalului măsurat. Armonica zero corespunde frecvenței fundamentale a semnalului de intrare. Orice altceva este zgomot, care include distorsiunea armonică, zgomotul termic, zgomotul 1/f și zgomotul de cuantizare. Unele componente de zgomot sunt generate de ADC însuși, unele pot fi introduse în ADC din circuite externe. Distorsiunea armonică, de exemplu, poate fi conținută în semnalul măsurat și generată simultan de ADC în timpul procesului de conversie.

Orez. 13. Rezultatul execuției FFT asupra datelor de ieșire ale ADC

Raportul semnal-zgomot

Raportul semnal-zgomot (SNR) este raportul dintre valoarea RMS a semnalului de intrare și valoarea RMS a zgomotului (excluzând distorsiunea armonică), exprimată în decibeli:

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

Această valoare vă permite să determinați proporția de zgomot din semnalul măsurat în raport cu semnalul util.

Orez. 14. SNR - Raport semnal/zgomot

Orez. 15. FFT reflectă distorsiunea armonică

Zgomotul măsurat în calculul SNR nu include distorsiunea armonică, dar include zgomotul de cuantificare. Pentru un ADC cu o anumită rezoluție, zgomotul de cuantizare limitează capacitățile convertorului la un raport semnal-zgomot teoretic mai bun, care este definit ca:

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

unde N este rezoluția ADC.

Spectrul de zgomot de cuantizare ADC al arhitecturilor standard are o distribuție uniformă a frecvenței. Prin urmare, amploarea acestui zgomot nu poate fi redusă prin creșterea timpului de conversie și apoi prin medierea rezultatelor. Zgomotul de cuantizare poate fi redus doar prin efectuarea de măsurători cu un ADC mai mare.

O caracteristică a ADC sigma-delta este că spectrul său de zgomot de cuantizare este distribuit inegal pe frecvență - este deplasat către frecvențe înalte. Prin urmare, prin creșterea timpului de măsurare (și, în consecință, a numărului de eșantioane ale semnalului măsurat), acumularea și apoi mediarea probei obținute (filtru trece-jos), se poate obține un rezultat de măsurare cu o precizie mai mare. Desigur, în acest caz, timpul total de conversie va crește.

Alte surse de zgomot ADC includ zgomotul termic, zgomotul 1/f și fluctuația de referință.

Distorsiuni armonice generale

Neliniaritatea rezultatelor conversiei datelor duce la apariția distorsiunii armonice. Astfel de distorsiuni sunt observate ca „emisii” în spectrul de frecvență la armonicile pare și impare ale semnalului măsurat (Fig. 15).

Această distorsiune este definită ca distorsiune armonică totală (THD). Ele sunt definite ca:

Cantitatea de distorsiune armonică scade la frecvențe înalte până la punctul în care amplitudinea armonicilor devine mai mică decât nivelul de zgomot. Astfel, dacă analizăm contribuția distorsiunii armonice la rezultatele conversiei, aceasta se poate face fie în întregul spectru de frecvență, limitând în același timp amplitudinea armonicilor prin nivelul de zgomot, fie prin limitarea lățimii de bandă pentru analiză. De exemplu, dacă sistemul nostru are un filtru trece-jos, atunci pur și simplu nu ne interesează frecvențele înalte, iar armonicile de înaltă frecvență nu sunt supuse contabilității.

Raportul semnal-zgomot și distorsiunea

Raportul semnal-zgomot și distorsiunea (SiNAD) descrie mai pe deplin caracteristicile de zgomot ale unui ADC. SiNAD ține cont atât de cantitatea de zgomot, cât și de distorsiunea armonică în raport cu semnalul util. SiNAD se calculează folosind următoarea formulă:

Orez. 16. Gama dinamică lipsită de armonice

Specificația ADC, dată în documentația tehnică pentru microcircuite, ajută la selectarea în mod rezonabil a unui convertor pentru o anumită aplicație. Ca exemplu, luați în considerare specificația ADC-ului integrat în noul microcontroler C8051F064 fabricat de Silicon Laboratories.

Microcontroler C8051F064

Cristalul C8051F064 este un microcontroler de mare viteză pe 8 biți pentru procesarea în comun a semnalelor analogice și digitale cu două ADC-uri integrate de aproximare succesivă de 16 biți. ADC-urile încorporate pot funcționa în moduri cu un singur fir și diferențiale, cu o performanță maximă de până la 1 milion de mostre/sec. Tabelul prezintă principalele caracteristici ale ADC-ului microcontrolerului C8051F064. Pentru a evalua pe cont propriu capacitățile de procesare digitală și analogică ale C8051F064, puteți utiliza kitul de evaluare ieftin C8051F064EK (Figura 17). Setul include o placă de evaluare bazată pe C8051F064, un cablu USB, documentație și software pentru testarea caracteristicilor analogice dinamice și statice ale unui ADC integrat de înaltă precizie pe 16 biți.

Masa. V DD = 3,0 V, AV+ = 3,0 V, AVDD = 3,0 V, V REF = 2,50 V (REFBE=0), de la -40 la +85° dacă nu este specificat altfel

Orez. 17. Trusa de evaluare C8051F064EK

Literatură

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

Wolfgang Reis (WBC GmbH)

Atunci când utilizați un computer pentru a procesa informații de la diferite dispozitive (obiecte, procese), în care informațiile sunt reprezentate de semnale continue (analogice), este necesar să convertiți un semnal analogic într-unul digital - într-un număr proporțional cu amplitudinea acestuia. semnal și invers. În general, procedura de conversie analog-digitală constă din trei etape)