Корпорация ti представила самый быстрый ацп с частотой выборки 250 msps

Texas Instruments: ADS42JB69 — двухканальный 16-битный АЦП с частотой дискретизации 250 MSPS (млн. выборок в сек.)

ADS42JB69 и ADS42JB49 – двухканальные АЦП с высокой линейностью характеристики преобразования, разрешением 16 и 14 бит, соответственно, и частотой дискретизации 250 млн. выборок в секунду.

Аналого-цифровые преобразователи поддерживают последовательный интерфейс JESD204B со скоростью передачи данных до 3.125 Гбит/с.

Наличие буферного каскада на аналоговом входе АЦП обеспечивает постоянство входного сопротивления в широком диапазоне частот, а также минимизирует ошибки выборки-хранения при достаточно высоких частотах входного сигнала.

Делитель частоты дискретизации позволяет использовать для тактирования прибора простые задающие каскады. За счёт встроенного алгоритма добавления псевдослучайного сигнала достигается превосходный динамический диапазон устройства, свободный от помех (SFDR), для любой частоты входного сигнала.

Внутренняя архитектура АПЦ ADS42JB69

Отличительные особенности:

Двухканальный Аналого-цифровой преобразователь
Разрешающая способность: 14 бит (ADS42JB49) и 16 бит (ADS42JB69)
Максимальная частота дискретизации: 250 MSPS (млн. выборок в секунду)
Последовательный интерфейс JESD204B:
- Соответствие подклассам 0, 1, 2
- Скорость передачи данных до 3.125 Гбит/с
- Поддержка двух и четырёх линий
Аналоговый входной буфер с высоким входным сопротивлением
Гибкий входной буфер тактовой частоты с коэффициентом деления -1, -2 и -4
Дифференциальный масштабируемый вход: 2 В и 2.5 В (устанавливается программно посредством регистра)
Рассеиваемая мощность: 850 мВт/канал
Диапазон рабочих температур: -40°C…+85°C
64-выводной корпус QFN: 9 мм × 9 мм

Область применения:

Коммуникации и кабельная инфраструктура
Многорежимные приёмники сотовой связи с несколькими несущими частотами
Радары и адаптивные антенные решётки
Широкополосные беспроводные системы
Контрольно-измерительная аппаратура
Программно управляемые многоканальные радиостанции
Двухканальные I/Q приёмники СВЧ-диапазона
Повторители
Линеаризация усилителей мощности

Запросить образцы, средства разработки или техническую поддержку

Документация на ADS42JB69 и ADS42JB49 (англ.)

Рубрика: Texas Instruments

Источник: http://www.ebvnews.ru/technical/texas-instruments/4733.html

Пресс-релиз

Компания Analog Devices, Inc.

(NASDAQ: ADI) представила 18-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) семейства PulSAR® с пропускной способностью 5 миллионов отсчетов в секунду (MSPS), что в два раза превышает быстродействие любого доступного на сегодняшний день преобразователя последовательного приближения (successive-approximation register, SAR). Благодаря передовой пропускной способности, наилучшему среди продуктов данного класса шумовому порогу и высокой линейности АЦП AD7960 PulSAR отлично подходит для применения в малопотребляющих схемах, мультиплексированных системах, например, в цифровых приборах рентгенографии, а также устройствах с избыточной дискретизацией, включая приборы для спектроскопии, управления градиентом в магнитно-резонансной томографии и хроматографического анализа газов.

В отличие от других 18-разрядных АЦП, в которых повышение частоты дискретизации достигается ценой роста потребляемой мощности и ухудшения точности, AD7960 потребляет 39 мВт при частоте дискретизации 5 MSPS и оптимизирован для поддержания превосходной линейности в статическом режиме (интегральная нелинейность +/- 0.

8 LSB) и высоких динамических характеристик (отношение сигнал-шум 99 дБ) даже при максимальном быстродействии. Этот новый преобразователь также обладает наилучшим среди продуктов данного класса отношением шумового порога (22.4 нВ/√Гц) к полной шкале входного сигнала.

Малые габариты корпуса помогают разработчикам уложиться в жесткие требованиям к размерам, тепловым характеристикам и энергопотреблению, которые характерны для систем с большим количеством каналов.

Также компания Analog Devices представила 16-разрядный АЦП семейства PulSAR AD7961, который поддерживает превосходные показатели отношения сигнал-шум (95.5 дБ) и интегральной нелинейности (+/- 0.2 LSB) при быстродействии 5 MSPS.

Загрузите техническое описание, посмотрите видеоматериал, закажите образцы и оценочные платы: http://wcm.corpnt.analog.com/ru/products/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad7960.htmlhttp://wcm.corpnt.analog.com/ru/products/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad7961.html
Типовое схемотехническое решение Circuits from the Lab: CN0277 Прецизионная, малопотребляющая 18-разрядная сигнальная цепочка для системы сбора данных с быстродействием 5 MSPS
Общайтесь с другими разработчиками и экспертами по продуктам компании Analog Devices в онлайн-сообществе технической поддержки EngineerZone™: http://ez.analog.com/community/data_converters

АЦП PulSAR AD7960 и AD7691 ориентированы на системы сбора данных

Совместимые по выводам АЦП PulSAR AD7961 и AD7960 позволяют создавать легко модифицируемые 16-/18-разрядные системы сбора данных для промышленности и здравоохранения. Они имеют конфигурируемый, малошумящий интерфейс LVDS (low-voltage differential signaling), который позволяет получать данные из преобразователя на скоростях до 300 МГц.

Цена и доступность для заказа

Продукт	Доступность образцов/ Серийное производство	Разрешение	ОСШ (тип.)	Темп. диапазон	Цена за штуку при заказе 1000 штук	Корпус
AD7960	Сейчас	18 бит	99 дБ	от -40°C до 85°C	$31.00	32-выводный LFCSP5 мм x 5 мм
AD7961	Сейчас	16 бит	95.5 дБ	от -40°C до 85°C	$21.00	32-выводный LFCSP5 мм x 5 мм

AD7960 может быть использован совместно с малопотребляющим усилителем ADA4897 с rail-to-rail диапазоном выходных напряжений (размах напряжения до напряжений питания), усилителем AD8031 с rail-to-rail диапазоном входных и выходных напряжений, а также источниками опорного напряжения ADR4540 или ADR4550 для построения полнофункциональной малопотребляющей, прецизионной сигнальной цепочки.

- Инновации, высокие технические характеристики и непревзойденное качество продукции – вот те фундаментальные основы, которые позволили компании Analog Devices на протяжении многих лет быть одной из наиболее финансово успешных компаний на рынке электронных компонентов. Мировой лидер в области технологий обработки сигналов и преобразования данных, компания Analog Devices сотрудничает с более чем 60000 потребителей практически во всех отраслях электронной промышленности. Штаб-квартира Analog Devices находится в Норвуде, штат Массачусетс, США, а дизайн-центры и производственные площадки рассредоточены по всему миру. Компания Analog Devices включена в биржевой индексный список S&P 500.

Источник: http://www.analog.com/ru/about-adi/news-room/press-releases/2013/12-09-2013_ad7960_ru.html

Аналого-цифровое преобразование для начинающих

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов.

При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

“

Введение

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование.

Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код. Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения.

Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением).

Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах.

Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь.

Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Типы АЦП

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность. Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи. Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS. Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS. Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS. Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1Рис.

1. Структурная схема АЦП прямого преобразования Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис.

1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП. Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы.

Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром. Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе.

Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие. Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1.

содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.

) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах.

Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом: 1.

на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref). 2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref.

Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref). 3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов: 1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником). 2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода. 3.

Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП. 4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H).

Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП. Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП.

Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения.

Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4).

Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».Рис. 4.

Сигма-дельта АЦП как следящая система Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет.

Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3]. На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов. Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):Рис. 6.

Структурная схема сигма-дельта модулятора Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования. Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s.

Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП: Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1) То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП. Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования. Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Немного истории

Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.Рис. 8. Первый патент на АЦПРис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.

) Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита.

Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт. На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.

) Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

Литература

W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-020.pdf

Источник: https://habr.com/post/125029/

Выбор АЦП для цифрового радиоприемника

Женатов Б. Д., Аверченко А. П., Астапенко Д. В. Выбор АЦП для цифрового радиоприемника [Текст] // Актуальные вопросы технических наук: материалы III Междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2015 г.). — Пермь: Зебра, 2015. — С. 43-46. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/125/7790/ (дата обращения: 29.09.2018).

Сегодня цифровые технологии получили очень широкое распространение, они применяются в таких областях, как средства связи и телекоммуникаций, различные радиотехнические системы и измерительная техника.

Применение цифровых технологий обеспечивает доступ к большому объему информации, т. к. способ передачи данных с их помощью более простой и быстрый.

Информационные и коммуникационные возможности становятся повсеместными.

Вследствие того, что аналоговые радиосистемы совершенствуются со времен изобретения радио, сейчас они достигли определенных максимумов в инновационной сфере. Однако с появлением цифровых платформ, наступила новая эра в радиотехнологиях.

В цифровых радиоприемниках по сравнению с аналоговыми более точная настройка частоты, что позволяет снизить уровень помех, и тем самым улучшить качество приема.

Реализация цифрового радиоприемника может быть осуществлена в соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 1.

Рис/ 1. Структурная схема цифрового радиоприемника

Основой радиоприемника может стать ПЛИС Cyclone IV производства компании Altera, установленная на отладочной плате Terasic DE2–115. На ПЛИС будет происходить фильтрация, выполненная математическим путем, перенос спектра, детектирование. Далее сигнал передается на ЦАП и соответственно на звуковоспроизводящее устройство. Также на ПЛИС будет реализовано управление, что позволит задать частоту.

Так как сигнал с антенны поступает в аналоговом виде, то используется АЦП, для его преобразования в цифровой формат [1].

Как и любое другое электронное средство, АЦП обладает некоторыми характеристиками. Одной из таких является количество разрядов (разрядность), характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Для цифрового радиоприемника достаточно 12 бит, что позволит выдать 4096 дискретных значений.

Частота дискретизации (быстродействие) определяет, сколько выборок в секунду будет производиться при оцифровке. Чем выше частота дискретизации, тем лучше затем удастся на основании цифровой формы звука восстановить аналоговый сигнал. Возьмем это значение в пределах 40–65MSPS.

Отношение СИГНАЛ/ШУМ:

где- среднеквадратичное значение амплитуды. Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы. Для идеального АЦП разрядностью 12 бит отношение СИГНАЛ/ШУМ составляет 74 дБ [2].

Итак, для создания цифрового радиоприемника были выбраны следующие характеристики АЦП: разрядность 12 бит, быстродействие 40–65MSPS, и отношение СИГНАЛ/ШУМ, максимально приближенное к 74 дБ.

Ведущими производителями АЦП являются компании: Texas Instrument, Linear Technology, Analog Devices, Maxim Integrated Products.

По выбранным критериям были отобраны АЦП, а также определена их стоимость (наличие) на российском рынке:

Таблица 1

АЦП различных производителей и их стоимость на российском рынке

По соотношению параметры/цена, было выбрано АЦП ADC12040 [3], типовая схема включения которого представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Типовая схема включения ADC12040

ADC12040 — монолитный КМОП, преобразующий аналоговые входные сигналы в 12-битный цифровой код со скоростью 40 миллионов выборок в секунду (40 MSPS) [4].

Этот преобразователь использует дифференцирование, конвейерную архитектуру с цифровой коррекцией ошибок и схему выборки и хранения на чипе, чтобы минимизировать размер кристалла и энергопотребление, обеспечив тем самым динамические характеристики (Рис.3).

Устройство работает от 5V, и потребляет всего 340 мВт при 40 MSPS. Микросхема доступна в 32-выводном LQFP корпусе и работает в диапазоне температур от -40 ° C до + 85 °.

Рис. 3. Передаточная характеристика

Дифференциальные входы обеспечивают равный симметричный размах от до. Для оптимальной производительности рекомендуется использовать дифференциальный режим.

Сигнал CLK используется для тактирования внутренней цифровой схемы ADC12040. Если частота CLK слишком низкая, заряд внутренних конденсаторов рассеивается, и выходные данные ухудшаются. Это ограничивает минимальный уровень дискретизации до 100 kSPS.

Читайте также: Парктроник своими руками

ADC12040 преобразует сигналы постоянно, однако когда на вход подается «логическая единица», выходные контакты переводятся в высокоимпедансное состояние и чтение информации невозможно. При подаче «логического ноля» выходы находятся в активном состоянии.

Когда на вход PD подается «логическая единица» ADC12040 переходит в режим отключения, потребляемая мощность при этом составляет 70 мВт и выходные контакты не определены.

Литература:

1. Токхейм, Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. / Р. Токхейм — М.: Мир, 1998. — 392 с.

2. Walden, R. H. Analog-to-Digital Converter Survey and Analysis / R. H. Walden // IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS. — 1999. — № 7. — C. 539–550.

3. Чип и Дип [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.chipdip.ru/product1/8656611608 — (25.03.15).

4. Texas Instruments [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.ti.com/product/adc12040 — (25.03.15).

Основные термины (генерируются автоматически): CLK, MSPS, сигнал, цифровой радиоприемник, LQFP, российский рынок, структурная схема, типовая схема включения, частота дискретизации.

Источник: https://moluch.ru/conf/tech/archive/125/7790/

Драйверы для АЦП на основе операционного усилителя компании Texas Instruments

Драйверы для АЦП на основе ОУ

компании Texas Instruments

Евгений ЗВОНАРЕВ

Для достижения максимальной точности преобразования аналогового сигнала в цифровой код недостаточно только корректно выбрать аналого-цифровой преобразователь, необходим еще и правильный выбор операционного усилителя для согласования динамических диапазонов источника сигнала (например, датчика) и входного каскада аналого-цифрового преобразователя.

Большинство современных АЦП обладают высоким входным сопротивлением, низкой входной емкостью, хорошей линейностью характеристик преобразования, но во многих случаях подключить источник сигнала к входу АЦП напрямую невозможно. Операционный усилитель — драйвер АЦП — решает эту проблему, осуществляя также до-

полнительное усиление сигнала и его фильтрацию при соответствующем включении для подавления шумов в высокочастотной области. Для достижения высокой точности устройства параметры драйвера должны быть существенно лучше, чем у АЦП. Речь идет о времени установления ОУ, нелинейных искажениях и шумовых характеристиках. Чем выше

разрядность и быстродействие преобразователя, тем больше внимания приходится уделять выбору оптимального ОУ для драйвера АЦП. Основные моменты при выборе таких ОУ и их некоторые типовые характеристики показаны на рис. 1.

Драйверы АЦП должны иметь достаточный динамический диапазон и быстродействие

Сигнал с большой амплитудой

Сигнал с малой амплитудой

Частота (Гц)

RC-фильтр

^ТТІ

Рис. 1. Основные характеристики ОУ, которые необходимо учитывать при выборе драйверов АЦП

Таблица 1. Операционные усилители TI для SAR-АЦП (частота выборки 10 кГц);

• напряжение питания:

от 3,3 (±1,65 В) до 5 В (±2,5 В);

• потребление в режиме Power-Down: 15 мкА.

Драйверы для АЦП с повышенным разрешением (Delta-Sigma аЦп)

Дельта-сигма (ДХ) АЦП отличаются высоким разрешением и широкой полосой пропускания. Основные параметры драйверов для ДХ АЦП с очень высоким разрешением сведены в таблицу 2.

В таблице 2 присутствует интересный усилитель – транслятор уровня INA159. Основное назначение INA159 — преобразование двуполярного сигала в однополярный, поэтому он и называется транслятором уровня. Сейчас существует очень много аналого-цифровых преобразователей с однополярным питанием, допускающих подачу на вход сигнала только положительной полярности, поэтому часто

Таблица 2. Операционные усилители Т1 для дельта-сигма АЦП (с высоким разрешением)

Наименование Описание Количество каналов т н. l= S 13 “ т кс Е в з * (В Іпотр. (мА, макс.) на канал Полоса частот (МГц), тип. Скорость нарастания (В/мкс), тип. O'-С й 2 3 = S х ID рВ (м кс S = < Л Э =г Ї ЇТ Однополярное питание Rail-to-Rail (а) рп о К

OPA333 (New) 1,8 В, нулевой дрейф (Zero Drift) 1, 2 1,8 5,5 0,025 0,5 0,16 0,01 0,05 100 – да вх./вых. SC70, SOT-23, SO8

OPA735 12 В, прецизионный (Auto-Zero) 1 2,7 13,2 0,75 1,6 1,5 0,005 0,05 200 – да выход SOT-23, MSOP

OPA277 низкие дрейф и напряжение смещ. 1, 2, 4 4 36 0,825 1 0,8 0,02 0,1 1000 8 нет – QFN, SOIC, PDIP

OPA227 очень низкий шум 1, 2, 4 5 36 3,8 8 2,3 0,075 0,1 10 000 3 нет – QFN, SOIC, PDIP

INA326 Auto-Zero, КОСС = 110 дБ 1 2,5 5,5 3,4 1 кГц – 0,1 0,4 2000 33 да вх./вых. MSOP

OPA627 очень низкие (искажения + шум) 1 9 36 7,5 16 55 0,1 0,4 5 5,2 нет – PDIP, SOIC

OPA336 прецизионный, микромощный 1, 2, 4 2,3 5,5 0,032 0,1 0,03 0,125 1,5 10 40 да выход MSOP, PDIP

INA159 (New) транслятор уровня 1 1,8 5,5 1,4 1,5 15 0,5 2 – 30 да вх./вых. MSOP

INA152 однополярное питание 1 2,7 20 0,65 0,8 0,4 1,5 3 – 87 да выход MSOP

Рис. 3. IМД159. Зависимости диапазонов выходных напряжений от опорного напряжения при напряжении питания 5 В

возникает необходимость переместить двуполярный сигнал в область только положительных значений. Иллюстрация работы ВДА159 приведена на рис. 3. На рис. 4 показана типовая схема включения этого ОУ. В документации производителя можно найти и другие варианты схем включения МА159 с разными коэффициентами передачи.

Например, при напряжении питания 5 В и опорном напряжении 2,5 В, подавая на вход

ША159 напряжение от -10 до 10 В, получим на выходе напряжение в диапазоне от 0,5 до 4,5 В, что приемлемо для многих АЦП при питании 5 В.

При меньших значениях опорного напряжения (это требуется при низковольтном питании) диапазоны изменения выходного напряжения изменяются. Конкретные значения приведены в таблице на рис. 3.

Выходные параметры при других напряжениях питания и разных вариантах коммута-

ции входов для опорного напряжения приведены в документации производителя. Основные параметры INA159:

• коэффициент передачи при входном сигнале ±10 В: 0,2 (возможны другие значения — см. документацию);

• точность коэффициента передачи: ±0,024% (макс.);

• полоса пропускания: 1,5 МГц;

• скорость нарастания напряжения: 15 В/мкс;

• напряжение смещения: ±100 мкВ;

• дрейф напряжения смещения: ±1,5 мкВ/°С;

• напряжения питания: 1,8-5,5 В. Подробного рассмотрения заслуживают

и новые малошумящие микромощные усилители с низковольтным питанием и нулевым дрейфом (Zero Drift) OPA333 (одиночный) и OPA2333 (сдвоенный). Они характеризуются отсутствием шумов напряжения и тока с зависимостью 1/f в области очень низких частот (рис. 5). Графики на рис. 5 взяты из документации производителя.

Фликкер-шум или шум типа 1/f является неотъемлемым параметром любого активного прибора, но на основе современных технологий производства полупроводниковых приборов частоту излома характеристики такого шума можно сдвинуть в область низких частот, вплоть до единиц, десятых долей Гц.

Тогда в реальном диапазоне частот этот шум не будет наблюдаться.

Усилители OPA333 и OPA233 выполнены по схеме «чоппер» (Chopper) или усилитель с прерыванием.

При частоте прерывания выше, чем 1/f частоты излома входного шума, усилитель, стабилизированный прерыванием, постоянно обнуляет 1/f шум на каждом такте. Теоретически, операционный усилитель с прерыванием не имеет 1/f шума.

Однако прерывание вызывает появление широкополосного шума, который обычно гораздо выше шума прецизионного биполярного операционного усилителя.

Отсутствие шума с зависимостью 1/f можно добиться и с помощью схемы со структурой Auto-Zero. Отличия структур Chopper и Auto-Zero показаны на рис. 6. Из графиков на этом рисунке видно, что спектральная плотность шума для OPA333 и OPA2333 су-

Рис. 4. 1ИД159. Типовая схема включения для преобразования двуполярного входного сигнала в диапазон одной полярности

1000

Ъ ЮО

ЭРАЗЗЗ : ЭРА2333 :

Отсу тст ие иу ма 1/f

/ / / U Пум тс ж а Си rrent ^ oia 0

—*

100 1к Частота (Гц)

1000

10к

Рис. 5. Спектральные плотности шумов напряжения и тока OPA333 и OPA2333

Частота (Гц)

Рис. 6. Сравнение спектральных плотностей шума усилителей OPA333 (Chopper) и ОУ, выполненных по схеме Auto-Zero

щественно меньше, чем у усилителей, выполненных по схеме Auto-Zero.

Рассмотрение принципов работы усилителей Auto-Zero и Chopper потребует слишком много места в журнале (что достойно отдельной статьи на эту тему), поэтому заинтересованный читатель может найти подробное описание принципов действия таких усилителей в статье инженера Texas Instruments Томаса Кегельштадта “Auto-Zero amplifiers ease the design of high-precision circuits” («Усилители с прерыванием упрощают разработку высокоточных схем»).

Основные параметры OPA333 (OPA2333):

• сверхнизкое напряжение смещения: 10 мкВ (макс.);

• дрейф напряжения смещения: 0,05 мкВ/°С (макс.);

• напряжение шума в диапазоне частот 0,01-10 Гц: 1,1 мкВ (от пика до пика);

• напряжения питания: 1,8-5,5 В;

• Rail-to-Rail вход/выход;

• собственный ток потребления 17 мкА;

• миниатюрные корпуса SC70 и SOT23.

В статье по применению с сайта Texas Instruments “New zero-drift amplifier has an IQ of 17 |jA”, посвященной операционному усилителю OPA333, приведена таблица для сравнения характеристик OPA333 с близкими усилителями этого класса. Основные параметры этих ОУ сведены в таблицу 3.

Каждый из усилителей в таблице 3 имеет свои сильные и слабые стороны, но качество каждого прибора нужно оценивать по совокупности параметров.

С другой стороны, для разработчика может быть наиболее важным один из конкретных параметров, тогда победителем в таблице 3 может оказаться любой из представленных в ней усилителей.

Автор этой статьи по применению Томас Кегель-штадт обращает внимание на параметры в нижней строке (отношение частоты единичного усиления к току потребления). По этому соотношению бесспорным лидером является новый операционный усилитель Texas Instruments OPA333 (OPA2333).

Драйверы для быстродействующих SAR АЦП с частотой дискретизации более 250 ksps

Для SAR АЦП повышенного быстродействия Texas Instruments предлагает выбрать усилители из таблицы 4. Интересно отметить, что новый ОУ THS4520 рекомендуется производителем еще и для использования совместно с SAR АЦП среднего быстродействия (табл. 1).

Усилители OPA365 (одиночный) и OPA2365 (сдвоенный) заслуживают более детального рассмотрения. Они отличаются очень низким коэффициентом гармонических искажений (всего 0,0006%), что необходимо для достижения высокой линейности передаточной характеристики аналого-цифрового преобразования.

Графики для сравнения параметров этих

Таблица 3. Сравнение основных параметров ОРА333 с аналогичными ОУ других производителей

Производитель Texas Analog Instruments Devices Maxim Linear Technology Texas Instruments Analog Devices

Наименование OPA333 AD8628 ICL7650 LTC2054 OPA335 AD8551

Год начала выпуска 200б 2005 2005 2004 2002 2002

РсИор,кГц ї25 ї5 – – – –

РА7, кГц – ї5 0,25 ї ї0 4

исмещ., мкВ (типовое значение) 2 ї ї 3 ї ї

1смещ., пА 70 30 5 ї 70 ї0

Частота единичного усилиния, кГц 350 2500 2000 500 2000 ї500

Спектр. плотность шума, нВ/^ Гц 55 22 25 85 55 42

Ток потребления, мкА ї5 її00 2000 ї50 285 975

GBW*/Iq** , кГц / мкА 23 2 ї 3 7 2

*GBW — частота единичного усиления; **Iq — ток потребления

Рис. 7. Гармонические искажения и шумы ОРА365 (ОРА2365) и усилителей этого класса других производителей

Таблица 4. Операционные усилители TI для быстродействующих SAR AЦП (>250 ksps)

Наименование Описание ов л а н а к о ес ли о К н. ми с£ ID кс а м 03 ID кс ал ма<\p>

Источник: https://cyberleninka.ru/article/n/drayvery-dlya-atsp-na-osnove-operatsionnogo-usilitelya-kompanii-texas-instruments

AVR121: Повышение разрешения АЦП с помощью оверсемплинга ч1

Микроконтроллеры AVR фирмы Atmel имеют в своем составе 10-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В большинстве случаев такой разрядности достаточно, но иногда возникают ситуации, когда требуется более высокая точность.

Существуют специальные методы обработки сигналов, позволяющие увеличить разрешение измерений. С помощью метода называемого “оверсемплинг и децимация” данная задача может быть решена без использования внешнего АЦП.

В этом руководстве рассмотрена теория и практическое применение данного метода.

– повышение разрешения с помощью оверсемплинга

– усреднение и децимация

– подавление шума с помощью усреднения

Существуют специальные методы обработки сигналов, позволяющие увеличить разрешение измерений. С помощью метода называемого “оверсемплинг и децимация” данная задача может быть решена без использования внешнего АЦП.

В этом руководстве рассмотрена теория и практическое применение данного метода.

Рисунок 1-1. Повышение разрешения

Перед чтением этого руководства мы бы рекомендовали вам ознакомиться с руководством «AVR120: Калибровка АЦП» и с разделом «АЦП» из технического описания на микроконтроллер AVR.

Изложенные ниже примеры и цифры рассчитаны для несимметричного входа в режиме непрерывного преобразования. Режим пониженного шума (ADC Noise Reduction Mode) не используется. Конечно, этот метод будет работать и в других режимах, но цифры для описанных примеров будут отличаться.

Опорное напряжение АЦП и его разрешение определяют шаг, с которым АЦП выполняет преобразование входного сигнала. У микроконтроллеров AVR в качестве опорного напряжения может выступать напряжение питания AVCC, внутреннее опорное напряжение 2.56 В/1.1 В или напряжение на выводе AREF.

Небольшое опорное напряжение обеспечивает высокую точность, но сужает динамический диапазон входного сигнала. Например, при опорном напряжении равном 2.56 В, точность результата преобразования будет приблизительно 2.5 мВ, а наибольшее входное напряжение, которое можно будет померить АЦП – 2.56В.

В качестве альтернативы можно было бы рассмотреть использование АЦП с секцией усиления. Это дает возможность измерять аналоговый сигнал с большей точностью, за счет динамического диапазона АЦП. Если это неприемлемо, то для улучшения разрешения АЦП можно использовать оверсемплинг. Хотя применение этого метода ограничивается характеристиками АЦП.

Важно понимать, что оверсемплинг и децимация уменьшают ошибки квантования АЦП, но не компенсирует его интегральную нелинейность.

Теорема Найквиста-Шеннона гласит, что аналоговый сигнал, имеющий ограниченный спектр, может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, если частота выборки (дискретизации) превышает максимальную частоту спектра сигнала более чем в 2 раза. Минимальная требуемая частота дискретизации называется частотой Найквиста.

Формула 2-1. Частота Найквиста

Где fsignal – это наивысшая частота входного сигнала.

Дискретизация сигнала с частотой выше частоты Найквиста называется оверсемплингом или дискретизацией с запасом по частоте. На практике обычно используют максимально возможную частоту дискретизации, чтобы получить как можно более точное представление измеряемого сигнала во временной области. Поэтому в большинстве случаев оцифрованный входной сигнал уже дискретизирован с запасом.

У микроконтроллеров AVR частота дискретизации АЦП определяется внутренней тактовой частотой и коэффициентом предделителя. Наименьший коэффициент дает наибольшую частоту дискретизации.

Однако в определенный момент высокая тактовая частота АЦП будет уменьшать точность преобразования, то есть эффективное число разрядов (the Effective Number Of Bits ,ENOB) АЦП будет снижаться. Все АЦП имеют ограниченную полосу пропускания и АЦП микроконтроллеров AVR не исключение.

Согласно техническому описанию, чтобы получить 10-ти разрядное разрешение, тактовая частота АЦП должна быть в диапазоне (50 – 200) кГц.

Когда тактовая частота АЦП равна 200 кГц, частота дискретизации сигнала составляет ~ 15 kSPS (15 тысяч выборок в секунду), что ограничивает частоту входного сигнала до ~7.5 кГц. Тактовая частота АЦП микроконтроллеров AVR может иметь значение до 1 МГц, однако это будет снижать точность преобразований.

Теория, стоящая за “Оверсемплингом и децимацией” достаточно сложная, но использование этого метода предельно простое. Нужно получить большее число выборок сигнала, увеличив частоту его дискретизации.

Для каждого дополнительного бита разрешения требуется увеличение частоты дискретизации в 4 раза. Данное соотношение выражается формулой 3-1.

Большее количество выборок нужно для лучшего представления входного аналогового сигнала при усреднении.

Формула 3-1. Частота оверсемплинга

Чтобы этот метод работал правильно, интересующие нас сигнальные компоненты не должны меняться во время преобразования. Однако другой критерий для успешного повышения разрешения заключается в том, что выборки входного сигнала должны отличаться друг от друга.

Это может выглядеть как противоречие, но в данном случае речь идет об изменении нескольких младших значащих разрядов (МЗР). Эти изменения следует рассматривать как шумовые составляющие сигнала.

При дискретизации сигнала с запасом по частоте, он должен содержать шум, дающий небольшие вариации в сигнале. Ошибка квантования АЦП составляет, по крайней мере, 0.5 МЗР. Таким образом, шумовая амплитуда должна превышать 0.5 МЗР, чтобы «перебивать» его.

Шум амплитудой 1-2 МЗР даже лучше, поскольку это будет гарантировать, что несколько выборок сигнала в итоге не будут иметь одинаковое значение.

При использовании данного метода шум должен иметь следующие характеристики:

– интересующие нас сигнальные компоненты не должны меняться значительно в течение преобразования,

– сигнал должен содержать шум,

– амплитуда шума должна быть не менее 1 МЗР.

Обычно в сигнале присутствует некоторый шум во время преобразования. Это может быть тепловой шум, шум от ядра микроконтроллера, переключения портов ввода вывода, шум источника питания и так далее. В большинстве случаев этого шума будет достаточно для работоспособности рассматриваемого метода.

В отдельных случаях потребуется добавить к входному сигналу некоторый искусственный шум. Этот метод известен как дизеринг. Рисунок 3-1 (а) показывает проблемы измерения сигнала, значение которого находится между двумя шагами квантования. Усреднение четырех выборок сигнала не помогло бы, поскольку у результата будет такое же низкое значение.

Это может только ослабить флуктуации сигнала. Рисунок 3-1 (b) показывает, что добавляя к сигналу искусственный шум, младшие значащие разряды результата преобразования будут переключаться. Сложение четырех выборок этого сигнала уменьшает шаги квантования вдвое, что дает лучшее представление входного сигнала, как показано на рисунке 3-1 (c).

“Виртуальное разрешение” АЦП увеличится с 10-ти до 11-ти. Этот метод известен как децимация и будет объяснен дальше в разделе 3-3.

Рисунок 3-1. Увеличение разрешения с 10-ти до 11-ти бит

Другой причиной использования этого метода является увеличение отношения сигнал-шум. Повышение эффективного числа разрядов (ENOB) распространит шум по большему двоичному числу, поэтому влияние шумов на каждый двоичный разряд будет снижаться. Удвоение частоты дискретизации позволяет снизить шум в полосе частот на 3 дБ и увеличить точность измерений на 0.5 бита.

Обычный смысл усреднения заключается в сложении m выборок сигнала и делении полученного результата на m. Это так называемое нормальное усреднение. Усреднение данных, полученных с АЦП, эквивалентно низкочастотному фильтру и позволяет ослабить флуктуации сигнала или шум, и сгладить пики входного сигнала. Очень часто для этого также используется метод скользящего среднего.

Он заключается в усреднении выборок сигнала внутри циклической очереди. В этом случае каждая усредненная выборка сигнала будет представлена несколькими самыми последними выборками. Что будет давать небольшую временную задержку. Усреднение этим методом может быть сделано с или без перекрытия окон.

Рисунок 3-2 показывает семь (Av1 – Av7) независимых результатов скользящего среднего без перекрытия.

Рисунок 3-2. Принцип усредняющего среднего

Важно помнить, что нормальное усреднение не увеличивает разрешение преобразования. Децимация и интерполяция представляют собой усредняющие методы, которые в сочетании с оверсемлингом увеличивают разрешение.

Интерполяцией в цифровой обработке сигналов называют метод, основанный на оверсемплинге и низкочастотной фильтрации. В этом смысле интерполяция используется для получения новых промежуточных выборок сигнала путем усреднения большого количества выборок.

Дополнительные выборки m, полученные с помощью оверсемплинга сигнала, складываются также как при нормальном усреднении, но результат не делится на m. Вместо этого он сдвигается вправо на n, где n – количество дополнительных битов разрешения. Однократный сдвиг двоичного числа вправо эквивалентен делению на 2.

Как видно из формулы 3-1 повышение разрешения с 10 до 12 бит требует суммирования 16-ти 10-ти разрядных значений. Результат этой суммы будет 14-ти разрядным, где последние два бита не содержат ценной информации. Чтобы вернуться обратно к 12-ти битам, нужно масштабировать результат.

Масштабирующий коэффициент sf, определяемый формулой 3-2, это коэффициент на который нужно делить сумму из 4^n выборок для получения правильного результата. Где n – требуемое количество дополнительных разрядов разрешения.

Формула 3-2

Обычно сигнал содержит некоторый шум. Этот шум, часто имеющий характеристику Гауссовского шума, более известен как белый шум или тепловой. Он отличается широкой полосой частот и равномерным распределением энергии по всей полосе. В этих случаях метод “оверсемплинга и децимации” будет работать, если амплитуда шума достаточна для переключения МЗР преобразования АЦП.

В других случаях может понадобиться добавить к входному сигналу искусственный шум. Этот метод называют дизерингом. Форма этого шума должна соответствовать Гауссовскому шуму, но сигнал периодической формы тоже будет работать. Какой частоты должен быть этот шумовой сигнал, зависит от частоты дискретизации.

Эмпирическое правило гласит: “При сложении m выборок, период шумового сигнала не должен превышать периода m выборок”. Амплитуда шума должна быть не менее 1 МЗР.

При сложении искусственного шума с входным сигналом важно помнить, что среднее значение шума равно нулю; недостаточно высокий оверсемплинг (недостаточный запас по частоте дискретизации) может вызвать смещение, как показано на рисунке 3-3.

Рисунок 3-3. Смещения, вызванные недостаточной частотой дискретизации

Пунктирная линия иллюстрирует среднее значение пилообразного сигнала. Рисунок 3-3 (а) представляет случай отрицательного смещения. На рисунке 3-3 (b) показан случай положительного смещения.

И на рисунке 3-3 (с) частота дискретизации выбрана подходящей и смещения нет. Чтобы создать искусственный шум, можно использовать один из счетчиков микроконтроллеров AVR.

Так как счетчик и АЦП используют один и тот же источник тактового сигнала, это позволяет синхронизировать шум и частоту дискретизации, чтобы избежать смещения.

Повышение разрешения АЦП с помощью оверсемплинга 2чAVR121:Enhancing ADC resolution by oversamplingAVR120:Characterization and Calibration of the ADC on an AVR

Источник: http://chipenable.ru/index.php/programming-avr/item/141