Што такое ADC? Тыпы аналога-лічбавых пераўтваральнікаў і як гэта працуе

Аналагова-лічбавы пераўтваральнік (ADC) пераўтворыць аналагавыя сігналы, такія як напружанні датчыкаў, аўдыёхвалі, і сігналы вымярэнняў у лічбавыя даныя, якія можа апрацоўваць мікракантролер, працэсар, FPGA ці камп’ютар. У гэтым артыкуле тлумачыцца, як працуюць ADC, асноўныя тыпы ADC, дазвол, частата выбаркі, асноўныя характарыстыкі, прымянення, фактары выбару і распаўсюджаныя праблемы адладкі.

Каталог

Малюнак 1: Ланцуг сігналаў ADC ад аналагавага ўваходу да лічбавага выхаду

Што такое ADC?

Аналагова-лічбавы пераўтваральнік (ADC) — гэта электронная схема, якая пераўтворыць неперарывальны аналагавы сігнал у лічбавае значэнне, якое можа прачытаць і апрацаваць мікракантролер, працэсар, FPGA або камп’ютар.

Як працуе ADC?

ADC пераўтворыць аналагавы сігнал у лічбавыя даныя наступным шляхам:

• Аналагавы ўваход: Пачатковае напружанне або сігнал, што ўходзіць у ADC.

• Фільтр супраць аліасінга: Выдаляе частоты, якія могуць выклікаць аліасінг перад выбаркай.

• Выбарка і захоўванне: Фіксуе ўваходнае напружанне на пэўны момант і захоўвае яго падчас пераўтварэння.

• Квантызацыя: Присваивает выбранае напружанне найбліжэйшаму даступнаму лічбаваму ўзроўню.

• Кадаванне: Пераўтворыць квантызаваны ўзровень у двоічны код.

• Лічбавы выхад: Адпраўляе фінальнае лічбавае значэнне мікракантролеру, працэсару, FPGA ці іншай лічбавай сістэме.

Для N-бітнага ADC:

Колькасць узроўняў = 2ᴺ

Ідэальны памер LSB = Поўны дыяпазон ÷ 2ᴺ

Ідэальная памылка квантызацыі = ±0.5 LSB

Напрыклад, 12-бітны ADC мае:

2¹² = 4096 узроўняў

З дыяпазонам уваходу 0–3.3 В:

3.3 В ÷ 4096 ≈ 0.806 мВ

Такім чынам, кожны ідэальны LSB прадстаўляе прыкладна 0.806 мВ з ідэальнай памылкай квантызацыі прыкладна ±0.403 мВ.

Малюнак 2: Прыклад квантызацыі ад нуля да 3.3 В з двоічнымі кодамі выхаду

Якія асноўныя тыпы ADC?

Розныя архітэктуры ADC выкарыстоўваюць розныя метады пераўтварэння, якія ўплываюць на хуткасць, дазвол, спажыванне электрычнасці, затрымку і дакладнасць.

Тып ADC	Як гэта працуе	Асноўная перавага	Асноўная абмежаванне	Распаўсюджаныя прымяненні
SAR ADC	Выкарыстоўвае ўнутраны ЦАП, кампаратар і рэгістр наступных набліжэнняў. Яны праводзяць бінарны пошук, правяраючы адзін біт за адзін раз, пакуль не будзе знойдзены найбліжэйшы лічбавы код.	Добры баланс хуткасці, дазволу, нізкага спажывання і нізкай затрымкі	Не падыходзіць для самых хуткіх сігналаў	Мікракантролеры, датчыкі, прамысловы кантроль, збор даных
Sigma-Delta ADC	Пераўтварае ўвод з высокай унутранай хуткасцю. Фарміраванне шуму выцясняе большую частку шуму квантызацыі за межы сігнальнай паласы, у той час як лічбавае фільтраванне і дэцыміраванне ствараюць канчатковы выхад з ніжняй хуткасцю.	Высокае дазвол і нізкі шум	Нізкі прапускны шырынь і высокае затрымка фільтра	Прэцызійныя датчыкі, аўдыё, сістэмы ўзважвання
Flash ADC	Выкарыстоўвае шмат кампаратараў адначасова для вызначэння ўзроўню ўваходу. Ідэальны N-бітны flash ADC патрабуе 2ᴺ − 1 кампаратараў.	Экстрэмальна хуткае пераўтварэнне	Высокае спажыванне энергіі, вялікая плошча схемы і складанасць	RF, радар, асцыляскопы
Пайплайн ADC	Пераўтворыць уваход праз некалькі этапаў. Кожны этап вырашае частку сігналу, адмяняе сваю ацэнку, узмацняе астатняе рэштка і перадае яго на наступны этап.	Высокая частата выбаркі з карысным дазволам	Дадае затрымку пераўтварэння	Камунікацыі, іміджаў, высокая хуткаць збору даных
Двухсхілевы ADC	Інтэгруе невядомы ўваход на фіксаваны час, затым інтэгруе вядомы рэферэнт з процілеглай палярнасцю, пакуль інтэгратар не вернецца да свайго пачатковага ўзроўню. Вымераны час вызначае лічбавы вынік.	Высокая дакладнасць і добрае адхіленне шуму	Павольнае пераўтварэнне	Лічбавыя шматмэтры і прэцызійныя інструменты

SAR ADC вызначае вынік праз працэс бінарнага пошуку, выкарыстоўваючы свой унутраны DAC і кампаратар. Sigma-delta ADC абапіраецца на перагрузку, фармаванне шуму, лічбавую фільтрацыю і дзяленне для высокадакладных вымярэнняў. Flash ADC дасягае вельмі высокай хуткасці, выкарыстоўваючы шмат паралельных кампаратараў, у той час як пайплайн ADC апрацоўвае рэштка сігналу праз некалькі этапаў пераўтварэння. Двухсхілевы ADC выкарыстоўвае інтэграцыю і часавыя параметры, што робіць яго добра прыдатным для павольных, дакладных вымярэнняў.

Дазвол ADC, Частата выбаркі і Дакладнасць

Упраўленне ADC у асноўным залежыць ад дазволу, частоты выбаркі і дакладнасці.

Параметр	Значэнне	Чаму гэта важна
Дазвол	Колькасць бітаў, якія выкарыстоўваюцца для每 пераўтварэння	Вызначае найменшае змяненне ўваходу, якое ADC можа прадстаўляць
Частата выбаркі	Колькасць узораў, якія бяруцца за секунду	Вызначае, наколькі хутка можа быць вымераны змяняючыся сігнал
Дакладнасць	Наколькі блізкі вынік да сапраўднага ўваходу	Уплывае на правільнасць вымярэння
ENOB	Эфектыўная колькасць бітаў	Паказвае карыснае дазвол пасля шуму і спатрэбаванасці

Дазвол ADC

Дазвол вызначае, колькі лічбавых узроўняў можа стварыць ADC.

8-біт = 256 узроўняў

10-біт = 1,024 узроўняў

12-біт = 4,096 узроўняў

16-біт = 65,536 узроўняў

Вышэйшы дазвол дазваляе прадстаўляць малыя змены сігналу, але шум і памылкі схемы могуць зменшыць карыснае дазвол.

Частата выбаркі ADC

Частата выбаркі – гэта колькасць узораў, якія ADC бярэ за секунду і звычайна ўказваецца ў SPS, kSPS або MSPS.

Для сігналу з абмежаваным прапускным дыяпазонам частата выбаркі павінна быць больш за двайны ўзровень найвышэйшай частоты сігналу:

fₛ > 2 × fmax

Напрыклад, сігнал з базавай частатой, які змяшчае частоты да 10 кГц, тэарэтычна патрабуе:

fₛ > 20 kSPS

У практычных схемах частата выбаркі звычайна вышэй, таму што рэальны фільтр супраць халявы патрабуе пераходнага дыяпазону паміж найвышэйшай патрэбнай частатой сігналу і fₛ/2.

Гэтыя тэрміны розныя:

Тэрмін	Значэнне
Частата выбаркі	Колькасць узораў, якія бяруцца за секунду
Аналагавы прапускны шырыні ўваходу	Частотны дыяпазон, які аналагавы фронт ADC можа прыняць
Празмернасць пераўтварэння	Максімальнае колькасць завершаных пераўтварэнняў за секунду
Частата выбаркі на канал	Эфектыўная частата выбаркі, даступная для кожнага канала

Для мультиплекснага ADC агульная празмернасць пераўтварэння дзеліцца паміж каналамі. Напрыклад, 100 kSPS ADC, які вымяряе чатыры каналы аднолькава, можа забяспечыць прыкладна 25 kSPS на канал, не ўліковую набыццё, пераключэнне канала і час установки.

Дакладнасць ADC, SINAD і ENOB

Дакладнасць ADC уплывае на памылку спасылак, памылку адхілення, памылку ўзмацнення, ненарматыўнасць, шум, спатрэба, страчаныя коды, пульсавае кроўкаванне і іншыя памылкі пераўтварэння.

SINAD, або Суадносіны Сігналу да Шуму і Спатрэбы, параўноўвае патрэбны сігнал з сумаронным шумам і спатрэбамі на выхадзе ADC.

ENOB, або Эфектыўная колькасць бітаў, паказвае карыснае дынамічнае дазвол ADC пасля ўліку шуму і спатрэбнасці.

ENOB = (SINAD − 1.76) ÷ 6.02

Напрыклад, калі SINAD складае 68 дБ:

ENOB = (68 − 1.76) ÷ 6.02 ≈ 11.0 біт

Гэтую раўнанне прымяняецца да тэставання з сілавымі хвалямі пры ўстаноўленых умовах уваходнай частаты, ўваходнай амплітуды і частаты выбаркі.

Іншыя важныя тэрміны дакладнасці ADC ўключаюць:

• Агульная недакладнасць (TUE): Сумарны ўплыў вялікіх статычных памылак ADC без каліброўкі.

• Адсутныя коды: Лічбавыя выхадныя коды, якія не адлюстроўваюцца з-за нелінейнасці пераўтваральніка.

• Інтэрвал адчынення: Невядомасць часовага інтэрвалу ў моманце выбаркі, якая становіцца больш важнай на больш высокіх частотах уваходу.

• Бяспечная адчувальнасць: Колькасць біт, якія застаюцца стабільнымі без змяненняў кодаў, выкліканых шумам ад піку да піку.

Асноўныя спецыфікацыі і фактары прадукцыйнасці ADC

Спецыфікацыя	Што праверыць	Чаму гэта важна
Убачная дыяпазон	Мінімальнае і максімальнае ўваходнае напружанне	Забяспечвае, каб сігнал заставаўся ў межах дыяпазону вымярэння ADC
Спасылка на напружанне	Дакладнасць, стабільнасць, дрыф, і шум	Усталёўвае дыяпазон пераўтварэнняў і ўплывае на дакладнасць вымярэнняў
Разрешэнне	Неабходная колькасць біт	Вызначае колькасць даступных лічбавых узроўняў
Частата выбаркі	Узоры ў секунду	Вызначае, як часта выбарваецца ўваходны сігнал
Пропускная здольнасць пераўтварэння	Завершаныя пераўтварэнні ў секунду	Важна для бесперапынных і шматканальных вымярэнняў
ENOB	Эфектыўная колькасць біт	Паказвае карысную дынамічную адчувальнасць пасля шуму і скажэння
SINAD	Каэфіцыент сігналу да шуму і скажэння	Паказвае агульную прадукцыйнасць шуму і скажэння
SNR	Каэфіцыент сігналу да шуму	Паказвае якасць сігналу ў параўнанні з шумам
Агульная наладжваная памылка (TUE)	Сумарная статычная памылка пераўтварэння	Дапамагае ацаніць агальную дакладнасць вымярэнняў постачанай напружання без каліброўкі
INL	Інтэгральная нелінейнасць	Паказвае адхіленне ад ідэальнай характарыстыкі перадачы ADC
DNL	Дифференциальная нелінейнасць	Паказвае ваганні паміж сумежнымі крокамі лічбавага кода
Адсутнія коды	Ці адбываюцца ўсе чаканыя выхадныя коды	Адсутнія коды памяншаюць карысную бесперапыннасць пераўтварэння
Інтэрвал адчынення	Невядомасць часу выбаркі	Можа паменшыць дакладнасць і SNR на больш высокіх частотах уваходу
Бяспечная адчувальнасць	Стабільнае разрешэнне, заснаванае на нагінаючым шуме ад піку да піку	Важна для вымярэнняў з нізкім узроўнем шуму і DC і сенсараў
Памылка зрушэння	Памылка каля нулявога ўваходу	Уплывае на вымярэнні нізкіх узроўняў
Памылка ўзмацнення	Памылка каля паўнамоцнага ўваходу	Уплывае на маштабаванне вымярэнняў па ўсім уваходнаму дыяпазону
Час захопу	Час, неабходны для таго, каб ўваход ADC захапіў сігнал	Недастатковы час захопу можа выклікаць памылкі, асабліва з высокім імпедансам крыніцы
Уваходны імпеданс	Навантажанне на сігнальную крыніцу	Можа ўплываць на ўсталяванне сігналу і дакладнасць вымярэнняў
Колькасць каналаў	Колькасць аналагавых ўваходаў	Вызначае, колькі сігналаў можна вымерыць
Уваходны тып	Адзіночны або дыферэнцыяльны	Павінен адпавядаць датчыку або сігнальнай крыніцы
Інтэрфейс	SPI, I²C, паралельны, LVDS або іншы інтэрфейс	Павінен быць сумяшчальны з працэсарам або FPGA
Спажыванне электрычнасці	Актыўны і рэжым чакання	Важна для партатыўных і маласілкавых сістэм
Рабочая тэмпература	Патрабаваны дыяпазон тэмператур	Важна для прамысловых і аўтамабільных прылад

Для дынамічнай прадукцыйнасці ADC неабходна правяраць SINAD і ENOB на зададзенай уваходнай частаце, амплітудзе ўваходу і частаце выбаркі, таму што гэтыя значэнні могуць змяняцца ў залежнасці ад умовах працы. Інтэрвал адчынення становіцца больш важным з павелічэннем ўваходнай частоты, у той жа час бяспечная адчувальнасць асабліва карысна для дакладных DC і вымярэнняў на нізкай частаце.

Агульныя прымянення і прыклады выкарыстання ADC

ADC выкарыстоўваюцца ўсюды, дзе лічбавая сістэма павінна вымяраць аналагавы сігнал.

Заявка	Вымяраючы сігнал	Асноўная патрабаванне ADC
Адчуванне тэмпературы	Тэрмістор, RTD або напружанне сенсара	Дакладнасць і нізкі шум
Маніторынг батарэі	Напружанне батарэі або крыніцы	Уваходны дыяпазон і дакладнасць
Запіс аўдыі	Мікрафон або аўдыявая хвала	Частата выбаркі і нізкія скажэнні
Прамысловы кантроль	Ціск, паток, становішча і ток	Надзейнасць і прадукцыйнасць шуму
Аўтамабільная электроника	Тэмпература, ціск, напружанне і ток	Шырокі тэмпературны дыяпазон і трываласць
Мядыцынскія інструменты	Сігналы датчыка з нізкім узроўнем	Высокая дакладнасць і нізкі шум
Прыхадка дадзеных	Мноства каналаў вымярэння	Дакладнасць, колькасць каналаў і час выбаркі
Осцылатары	Хуткасныя напружансця пульсацый	Высокая частата выбаркі і прапускная здольнасць

Тып ADC павінен адпавядаць сігналу. Павольныя прэцызійныя датчыкі, як правіла, патрабуюць дакладнасці і нізкага шуму, у той час як хуткія пульсацыі патрабуюць высокай хуткасці выбаркі і дастатковай прапускной здольнасці.

Як выбраць правільны ADC: Практычны прыклад

Прыклады сістэмных патрабаванняў: дыяпазон уваходу 0–3.3 В, мінімальная змена сігналу 1 мВ, максімальная частата сігналу 1 кГц і 4 канала.

Крок выбару	Разлік / Патрабаванне	Вынік
Патрабаваная рэзалюцыя	3.3 В ÷ 0.001 В = 3,300 узроўняў	Прынамсі 12-бітны ADC, таму што 2¹² = 4,096 узроўняў
Памер LSB	3.3 В ÷ 4096	≈ 0.806 мВ/LSB
Мінімальная частата выбаркі	> 2 × 1 кГц	> 2 кSPS на канал
Практычная частата выбаркі	Дадайце запас для пераходнага дыяпазону фільтра супраць альясавання	5 кSPS на канал
Прапускная здольнасць на канал	Патрабаваная частата выбаркі для кожнага канала	5 кSPS/канал
Агульная прапускная здольнасць	4 канала × 5 кSPS	Мінімальная агульная прапускная здольнасць 20 кSPS
Дыяпазон уваходу	Выход датчыка = 0–3.3 В	ADC павінен падтрымліваць 0–3.3 В або выкарыстоўваць сігнал кандыцыянавання
Дакладнасць спасылкі	0.5 LSB = 0.403 мВ; 0.403 мВ ÷ 3.3 В × 100	≈ 0.0122% або 122 ppm максімальнае размеркаванне пачатковай памылкі
Перыяд канверсіі	1 ÷ 20,000	50 мкс
Дыяпазон прыходу	50 мкс − 10 мкс меркаванага пераходу/інтэрфейсу	40 мкс
Патрабаванне ўсталёўкі	Увод ADC павінен ўсталявацца ў межах ±0.5 LSB падчас 40 мкс дыяпазону прыходу. Для сістэмы першага парадку з дакладнасцю 12 біт tsettle ≈ 9τ.	τ ≤ 40 мкс ÷ 9 ≈ 4.4 мкс
SAR ADC	Падыходзіць для патрабаванай рэзалюцыі, прапускной здольнасці, нізкай затрымкі і шматканальнага выбаркі	Лепшае адпаведнасць
Сігма-Дэльта ADC	Добрая дакладнасць і нізкі шум, але затрымка і пераключэнне каналаў павінны быць правераны	Магчыма
Пайплайн ADC	Значна хутчэй, чым патрабуецца	Звычайна непатрэбны
Флэш ADC	Высокая хуткасць, магутнасць і складанасць непатрэбныя	Слабое адпаведнасць
Двосхільны ADC	Добрая дакладнасць, але звычайна занадта павольны	Слабое адпаведнасць
Рекомендуемы ADC	Павінен адпавядаць усім разлічаным патрабаванням	12-бітны або больш SAR ADC, ≥4 каналы і >20 кSPS агульная прапускная здольнасць

10 мкс накладны час - гэта прыкладная здагадка. Выкарыстоўвайце значэнні з даведніка выбранага ADC для часу канверсіі, часу прыходу, уваходнага ёмістасці і імпедансу крыніцы.

Агульныя праблемы з ADC і іх ліквідацыя

Праблема	Магчымая прычына	Рекомендуемая праверка
Шумныя паказанні ADC	Шумнае харчаванне, спасылка, заземленне або датчык	Праверце дэкаупліраванне, фільтрацыю, заземленне і стабільнасць спасылкі
Чытанне застаецца на нулі	Няма ўваходнага сігналу, няправільны канал або памылка канфігурацыі	Памерайце ўваходную напругу і праверце наладкі ADC
Чытанне застаецца каля максімуму	Уваход перавышае дыяпазон ADC	Праверце ўваходную напругу і схему сігнал кандыцыянавання
Чытанне нетактоўнае	Памылка спасылкі, уразмеркаванне, памылка ganho або тактоўнасць рэзістара	Памерайце спасылку і праверце кампаненты маштабавання
Чытанні змяняюцца паміж каналамі	Высокая імпеданасць крыніцы або недастатковы час усталёўкі	Павялічце час прыходу або буферызуйце ўваход
Хуткі сігнал выглядае няправільна	Частата выбаркі занадта нізкая	Павялічце частату выбаркі і выкарыстоўвайце фільтр супраць альясавання
Нізкія біты флуктуюць	Электрычны шум	Палепшце заземленне, фільтрацыю, экраны або сярэднія значэнні
Чытанне змяняецца з тэмпературай	Дрыфціраванне спасылкі або кампанента	Выкарыстоўвайце нізкодыфтовыя кампаненты або каліброўку

Вынік

ADC пераўтварае аналагавыя сігналы ў лічбавыя значэнні для апрацоўкі і вымярэння. Правільны ADC залежыць ад рэзалюцыі, частаты выбаркі, дакладнасці, уваходнага дыяпазону, шуму, якасці спасылкі, інтэрфейсу і патрабаванняў да магутнасці. SAR ADC падыходзяць для многіх убудавальных сістэм, сігма-дэльта ADC падыходзяць для прэцызійных вымярэнняў, а пайплайн або флэш ADC лепш для хуткасных сігналаў. Якаснае сігнал кандыцыянаванне, заземленне, фільтрацыя і канструкцыя спасылкі таксама важныя для надзейнай канверсіі.