АЦП: Проблемы выбора. Необычные АЦП и ЦАП преобразователи

Хорошая новость: мир АЦП богат и разнообразен, в нём найдётся вариант на любой вкус. Плохая новость: мир АЦП богат и разнообразен, в нём найдётся вариант на любой вкус. Далее приводятся некоторые советы, которые помогут ориентироваться в этом море возможностей. Также описываются некоторые микросхемы преобразователей, промолчать о которых невозможно.

Сигма-дельта техника и параметры для сравнения

Аналогово-цифровые преобразователи

Сигма-дельта — один из нескольких методов преобразования, включающих кроме того:

интегрирующие преобразователи;
АЦП последовательного приближения;
параллельные АЦП;
параллельные конвейерные.

Низкая скорость.

Для работы со скоростью «вольтметра» (порядка 10 измерений в секунду) безусловными фаворитами являются многостадийные интегрирующие преобразователи. Впрочем, доминирование поставлено под вопрос отличными ΣΔ АЦП, например, 24-разрядными LTC2412 фирмы Linear и AD7732 (входной диапазон ±10 V) фирмы Analog Devices.

Средняя скорость (до сотен ksps)

Сигма-дельта доминируют в области точных измерений — 16 разрядов и выше. Здесь очень хороши Cirrus и AKM (например, AK5384: 24 разряда, 96 ksps, 4 канала или конвертор). Есть много хороших аудио АЦП, но никто из них не может похвастаться приличными параметрами на постоянном токе. В области до 16 разрядов удобнее всего использовать АЦП последовательного приближения.

Средняя-высокая скорость (до нескольких Msps).

Здесь идёт ожесточённая схватка между ΣΔ и АЦП последовательного приближения, использующих метод распределения заряда. Точности сравнимы, но SAR быстрее (серия PulSAR™ фирмы ADI AD76xx/79xx — AD7690: 18 разрядов, 400 ksps).

Высокая скорость (до сотен Msps).

Здесь выбирают параллельные АЦП конвейерного типа (также известные как «half-flash») или архитектуру последовательного счёта.

Они имеют несколько шагов грубого последовательного приближения и параллельную часть. Результаты получаются очень быстро, но с латентностью порядка 10 выборок (ADI AD9626: 12 разрядов, 250 Msps и TI ADS6149: 14 разрядов, 250 Msps).

Безумная скорость (более 250 Msps)

В этом курятнике рулят варианты параллельной архитектуры, которые расплачиваются за скорость небольшим разрешением (6…10 разрядов). Несколько интересных АЦП есть у National/TI

-ADC08D1520: 8 разрядов, 3000 Msps,

-ADC10D1500: 10 разрядов, 3000 Msps,

-ADC12D1800 12 разрядов, 3600 Msps.

Такие АЦП находят широкое применение в качестве элементов измерительной схемы цифровых осциллографов и программно управляемого радио.

Цифро-аналоговые преобразователи

Здесь используются три технологии:

R-2R делители;
делители на длинных цепочках;
переключение токов.

Наивысшая линейность

Сигма-дельта лучше всех. Точность и линейность порядка 20 разрядов на звуковых скоростях, а бывают столь же хорошие параметры и на постоянном токе (20-разрядный DAC1220 фирмы TI). Но здесь надо смотреть за широкополосным шумом наводок тактовой частоты (у DAC1220 ∼1000 nV/√Hz на 1 kHz , а у ЦАПов на делителях ∼10 nV/√Hz).

Средняя скорость, высокая точность

Много отличных ЦАПов на R-2R и цепочках резисторов. Примеры:

TI DAC8552 (сдвоенный, 16 разрядов, с последовательным входом, выход по напряжению, внешняя опора, очень небольшие выбросы при переключении кода, 10μs время установления. DAC8560/4/5 те же цифры, внутренняя опора).
ADI AD5544 или TI DAC8814 (счетверённый, 16 разрядов, умножающий (MDAC), с последовательным входом, выход по току, 5–2μs время установления с внешним ОУ).
LTC1668 (16 разрядов, параллельный вход, дифференциальный токовый выход, 20ns время установления на 50 Ω в качестве «выхода по напряжению»)
TI DAC9881 (18 разрядов, последовательный вход, RR выход по напряжению, внешняя опора, низкий шум, установление 5μs).

Высокая скорость

ЦАП с переключением тока непобедимы. TI DAC5681/2 (16 разрядов, 1 Gsps), ADI AD9739 (14 разрядов, 2.5 Gsps).

Однократная выборка против усреднения: шум в АЦП

Сигма-дельта — одна из форм интегрирующих АЦП, т.е. измерение учитывает изменение сигнала за время преобразования. Можно даже говорить о некоторой форме простого усреднения. АЦП последовательного приближения действуют совершенно иначе. Мгновенное значение входного сигнала запоминается схемой выборки-хранения сразу после начала преобразования (этот процесс занимает некоторое время, называемое апертурным). Данное различие имеет несколько важных следствий, в числе которых способность SAR АЦП работать с очень низким уровнем потребления при редких запросах на преобразование.

Другим важным следствием является эффективная рабочая полоса, в которой можно измерять сигнал. Малое апертурное время соответствует здесь широкой полосе и наоборот. Интуитивно понятно, что высокие частоты смазываются большим апертурным временем, а короткая выборка позволяет отразить в данных быстрое изменение амплитуды сигнала. Иначе говоря, усреднение сигнала по интервалу времени T работает как ФНЧ, чья полоса очень близка к величине 1/T . С математической точки зрения такое действие является формой преобразований Фурье.

Чтобы выразить сказанное в числах обратимся к рисунку, на котором показана АЧХ фильтра нижних частот в виде сглаживающего окна длительностью T.

Низкие частоты проходят через окно свободно, а высокие искажаются в процессе усреднения. Сигнал с частотой f =1/T завершает за время T один полный цикл и самоуничтожается без остатка в ходе усреднения. Дополнительные нули появляются на частотах, кратных 1/T, когда сигнал соответствующей частоты успевает совершить целое число полных циклов.

Таким образом, узкое окно даёт возможность широкополосному шуму, если он есть, ухудшить точность интересующего медленного сигнала, который мог бы выиграть от усреднения. Об этом надо помнить при разработке преобразователей, обращая особое внимание на ситуации, когда производятся кратковременные выборки медленного сигнала, например, температурного датчика или тензомоста. В использовании АЦП последовательного приближения нет никаких проблем, если ему на входе можно поставить ФНЧ. Интегрирующие преобразователи, в т.ч. сигма-дельта, обладают усредняющими свойствами изначально.

АЦП с микропотреблением

Батарейным устройствам часто нужны сведения об окружающем мире, которые можно получить от датчиков, и АЦП с низким потреблением. Обычно задачу решают 8-, 10-, 12-разрядные АЦП в составе самого микроконтроллера, но иногда требуются преобразователи с улучшенным микропотреблением. Имеются и SAR, и ΣΔ модели. Стоит разобрать, чем они различаются с точки зрения использования.

У SAR — высокая скорость преобразования, но и высокое потребление. Измерение начинается с выборки мгновенного значения сигнала сразу после запуска преобразования, что позволяет сразу выключить датчик и сэкономить в случае каких-нибудь прожорливых тензомостов. Большой ток расходуется только на короткий промежуток преобразования, а затем АЦП можно перевести в спящий режим. Например, AD7685 потребляет 2.7 mW в ходе 16-разрядного измерения с максимальной скоростью 200 ksps (при питании 3V), но часто можно работать с гораздо меньшей скоростью, скажем 100 sps. В таком случае рассеиваемая мощность падает до 1.4 μW (т.е. в 2000 раз меньше). Для большинства SAR имеется прямая зависимость потребления от скорости работы.

Сигма-дельта – интегрирующие устройства по самой своей сути. Им требуется большое время для измерения. Кроме того, 16 разрядов требуют в 16 раз больше времени, чем 12 разрядов (из-за разницы в 4 разряда). Зато общее потребление ΣΔ ниже, чем у сравнимых SAR. Сигма-дельта MCP3425 рассеивает 0.44 mW при непрерывной работе с максимальной скоростью (16 разрядов, 15 sps). Это в 6 раз меньше, чем потребляет AD7685 на 200 ksps. По абсолютным цифрам мощности побеждает ΣΔ, но сравнение некорректное, т.к. скорость работы различается в 10000 раз. Вдобавок, приведённые цифры гораздо выше чем то, что обещают в справочных данных. Например, для MCP3425 заявлена средняя мощность 1.8 μW, но только соответствует она 12-разрядному режиму и одной выборке в секунду, т.е. фактически вводит в заблуждение.

Поединок между малопотребляющими АЦП. Чтобы провести корректное сравнение, условимся для начала, что требуется 10 измерений в секунду с 16-битным разрешением, а отбор будет вестись по минимуму рассеиваемой мощности. При такой скорости сигма-дельта потребляет в среднем 290 μW, а SAR — 0.14 μW, т.е. в 2000 раз меньше! Если учитывать только этот показатель качества, то мяч уже в воротах. Но есть ещё кое-что. ΣΔ интегрирует сигнал на промежутке 66 ms, что даёт более тихий результат, чем у SAR, который выхватывает мгновенное значение за доли микросекунды. Для сравнения, AD7685 может сделать 2000 измерений за ту же мощность, что и одно измерение MCP3425, но чтобы понизить шум, все их придётся усреднять.

Справочные данные любой приглянувшейся микросхемы рекомендуется изучать очень внимательно. Для микропотребляющих АЦП следует учитывать наличие внутри усилителя, опорного источники и генератора. Если их нет, то потребуется дополнительная мощность для внешних компонентов (особенно неприятны в этом отношении генераторы). Некоторые АЦП используют в качестве опорного собственное напряжение питания. Такой подход очень удобен для логометрических (сравнения двух величин) датчиков, вроде термисторов и тензорезисторов. Для других сенсоров может потребоваться запитать от опорного источника сам преобразователь.

Некоторые АЦП используют тактовый сигнал передачи данных для преобразования, что может потребовать от управляющего контроллера тратить время и мощность на его генерацию. Отдельные преобразователи требуют довольно высокой тактовой частоты, скажем, SAR AD7091R требует 50 MHz для работы с максимальной скоростью 1 Msps . Такого рода запросы требуют серьёзных затрат мощности. Если предполагается выключать АЦП между сеансами измерения, надо учесть, что процедура выхода из сна может потребовать дополнительных телодвижений и задержек.

Последний параметр — напряжение питания. Большая часть микросхем требует умеренного минимального напряжения питания (2.7 V), но АЦП, способные работать на пониженном напряжении, могут существенно сэкономить в потребляемой мощности. Например, AD7466 при 100 ksps отбирает 620 μW от источника 3.0 V, но только 120 μW от 1.6 V, но с некоторой потерей производительности. Правда, в такой ситуации основную проблему может составить разработка аналоговой части схемы, способной работать при 1.6 V. С другой стороны можно выиграть на батарейном преобразователе питания.

Необычные АЦП и ЦАП преобразователи

Здесь описываются некоторые микросхемы преобразователей, промолчать о которых невозможно: они и полезны, и интересны. Все они разработаны фирмой Analog Devices — лидером в области преобразователей и прочих высококачественных аналоговых микросхем.

ADE7753: многофункциональная микросхема измерения мощности переменного тока

В промышленном оборудовании или, в более общей форме, в аппаратуре контроля первичного питания очень важно отслеживать величину потребляемой энергии на манер обычного счётчика электроэнергии с вращающимся диском. Столь же важно, а может, и более, контролировать и минимизировать реактивную мощность. Речь идёт о компенсации реактивной нагрузки типа электромоторов для удержания коэффициента мощности близким к единице.

Энергокомпании очень заботятся о реактивной мощности и доносят эту заботу до промышленных потребителей в форме увеличения счетов за энергию. Потому что те, даже не потребляя полезной энергии, увеличивают тепловые I²R потери в проводах и трансформаторах за счёт протекания реактивных токов. Кроме того, полезно бывает знать мгновенное значение мощности как обычной, так и реактивной и, раз уж влезли в эти дебри, провалы и выбросы в питающем напряжении.

ADE7753 — отличный пример A/D преобразователя, предназначенного для решения именно этих задач.

Микросхема рассчитана на работу в паре с микроконтроллером

Здесь просто будет отдана дань восторженного восхищения её хорошо продуманным возможностям.

Общий обзор

Данный кристалл использует чисто цифровые методы для непрерывного учёта величины реальной (активной) мощности, реактивной мощности и произведения вольт-амперы («полная мощность»). Кроме того, он накапливает активную и полную мощность и детектирует проседание и выбросы напряжения. Единственными аналоговыми компонентами являются входные усилители. Все многочисленные настройки выполняются через простую 3-проводну шину SPI. Именно через неё внешний микроконтроллер обращается к 64 внутренним регистрам АЦП, которые хранят рабочие настройки и измеренные значения.

Микросхема имеет выход битового потока, чья частота пропорциональна активной мощности, той самой, которая вращает диск в механическом измерителе. Откалиброванный АЦП может работать в автономном режиме — без микроконтроллера, если всё, что от него требуется — накапливать данные по расходу энергии.

Подробности

Пара программируемых разностных усилителей получает на входе сигналы амплитудой до 0.5 V от датчиков тока и напряжения. Ток можно получать тремя путями (см.рисунок):

последовательным калиброванным 4-проводным резистором — «шунтом»;
тороидальным трансформатором тока с резистивной нагрузкой;
«катушкой Роговского».

В последней возникает сигнал, пропорциональный dI/dt. Он, в отличие от двух первых источников, сигнал с которых пропорционален I, требует дополнительного интегрирования. В качестве компенсации за эту особенность катушка Роговского имеет отличную линейность (нет магнитного сердечника) и простоту включения: она не требует рассоединения линии. Подстройка смещения усилителей проводится цифровыми методами, а их выходы подключены к 16-разрядным ΣΔ АЦП второго порядка, выдающим оцифрованный поток данных по V и I со скоростью 28 ksps.

Самое время порадоваться красоте решений. Верхний путь на блок-схеме микросхемы ADE7753 задействован для подсчёта реактивной (реальной) мощности. Канал 1 — токовый сигнал, из которого удалена постоянная составляющая. Он проходит через опциональный (для катушки Роговского) интегратор, затем умножается на сигнал напряжения из канала 2. Здесь есть схема подстройки фазы с точностью 0.05° (PHCAL), отвечающая за точность умножения. Результат — мгновенная активная мощность имеет регулировку смещения и усиления. После прохождения цифрового преобразователя частоты DFC, он подаётся в виде битового потока через линию «CF» на выход. Кроме того, текущие значения накапливаются в банке регистров откуда могут быть считаны.

Средний канал используется для расчёта реактивной мощности. Он работает аналогично, но фаза тока сдвинута на 90° . Наконец, нижний канал считает произведение вольт-амперы (полная мощность), которое получается, как произведение напряжения на среднеквадратическое значение тока. Он тоже имеет подстройку смещения и усиления.

Блок, помеченный как «регистры и последовательный интерфейс» робко прячет свою повышенную интеллектуальность. Без него всё описанное просто не заработает. Без настроек, коэффициентов усиления, режимов работы и множителей частоты на выводе «CF». Там же располагаются 49-битные счётчики энергии (произведение мощности на время) как реальной, так и полной, и счётчики проседаний и всплесков напряжения. Микросхему можно настроить, чтобы она выдавала на внешний процессор прерывание, если «что-то пойдёт не так».

В общем, весьма впечатляющие возможности для относительно недорогого компонента.

AD7873: интерфейс сенсорного экрана

«Сенсорный экран» — знакомое словосочетание, обозначающее устройство отображения (обычно LCD с подсветкой), поверх которого лежит прозрачный экран, чувствительный к нажатию (пальцем или стилусом). Такая связка используется в смартфонах, наладонных и планшетных компьютерах, торговых терминалах и т.п. и позволяет управлять отображаемыми объектами. Самым простым и эффективным является резистивный сенсорный экран, состоящий из двух тонких пластин прозрачного материала с проводящим покрытием, которые сжимаются при нажатии на поверхность.

Как понять где именно произошло нажатие? Легко. На противоположных сторонах каждой пластины есть электроды, и если подать на них напряжение, прозрачный экран превращается в делитель напряжения с линейно увеличивающимся от одной стороны к другой напряжением. Сенсорный экран состоит из пары сенсоров: один для координаты X, другой — для Y. Чтобы считать позицию, нужно подать постоянное напряжение на одну поверхность и считать с другой напряжение, которое передаётся через точку контакта. Это даёт первую координату. Затем роли меняются: напряжение подаётся на вторую поверхность, а считывается с первой.

Всё, что нужно для реализации описанной процедуры, есть в AD7873

Микросхема подключается к внешнему процессору через 3-проводный последовательный SPI порт, который обеспечивает настройку и считывание данных. На кристалле имеются внутренние МОП ключи для подачи напряжения на обе половины сенсора, внутренний источник опорного напряжения, внутренний датчик температуры, 12-разрядное АЦП последовательного приближения и входной мультиплексор. На вход преобразователя можно подать:

напряжение с пассивной половины сенсора;
напряжение на активной половине сенсора, что позволяет проводить относительные измерения;
напряжение батареи;
термодатчик;
универсальный аналоговый вход (с внешнего вывода).

AD7873 работает от одного питания в диапазоне от +2.2 V до +5.25 V, потребляет несколько милливатт, имеет низкую стоимость.

Существует ещё технология емкостных сенсорных экранов с различными методами определения координат. Имеются и законченные схемы для работы с такими экранами, включающие емкостной преобразователь, опорный источник, схему возбуждения, сигма-дельта АЦП и последовательный интерфейс. Примером могут служить серии AD7150 и AD7740 фирмы Analog Devices. Микросхемы выпускаются как в одноканальном, так и в многоканальном вариантах с разрешением от 16 до 24 разрядов. Работают они небыстро (∼100 sps), зато дёшевы.

AD7927: АЦП с программируемой последовательностью измерения

Многие АЦП имеют в своём составе мультиплексор, позволяющий измерять сигналы нескольких источников. В AD7927, кроме того, есть режим программируемой последовательности, позволяющий создать два набора входных каналов, которые будут измеряться последовательно один за другим.

Выборка и преобразование инициируются выводом «CS» («Выбор кристалла») и по самой природе (SAR) не имеет обычной для сигма-дельта АЦП задержки при выдаче результата. Микросхема использует SPI порт для настройки и считывания.

AD7730: прецизионная измерительная система для мостовых датчиков

Это микросхема, которая нацелена на рынок весов, где используются резистивные мостовые тензодатчики.

Справочные данные просто великолепны. AD7730 имеет на входе дифференциальный усилитель с настраиваемым усилением, которого хватает для входов с полной шкалой 10 mV, и дифференциальные входы внешнего опорного напряжения, позволяющие проводить относительные измерения. Есть режим прерывистого измерения, позволяющий минимизировать ошибки дрейфа и смещения. Режимы калибровки убирают ошибки усиления. Тензомост можно подключать непосредственно к AD7730, дополнительный усилитель не нужен.

Очень интересен режим «возбуждения переменным током». Он позволяет в последовательных циклах измерения подавать на мост возбуждающее напряжение обратной полярности, позволяя подавить остаточные смещения, включая внешние смещения, вызванные термопарами на соединениях проводников измерительной цепи.

Напряжение на измерительном мосту меняет знак (зависит от направления тока), а термо-ЭДС — нет (зависит от последовательности соединения разнородных металлов), поэтому можно взять среднюю величину от двух последовательных измерений, в которой термо-ЭДС сократятся.

Справочные данные аналогового входа заявляют: «дрейф смещения 5 nV/°C , дрейф усиления 2 ppm/°C». Со стороны цифровой части есть множество программных настроек 24-разрядного АЦП и выходного фильтра. Обмен идёт по последовательному SPI порту. Одно питание +5V, есть корпуса для выводного и поверхностного монтажа.