Intégration de multiplexeurs avec Adcs et Dacs pour les systèmes de conversion de données améliorés

Intégration de multiplexeurs avec les CDA et les CAD pour les systèmes améliorés de conversion de données

Dans l'électronique moderne, les systèmes de conversion de données servent de pont entre les domaines analogique et numérique. Qu'il s'agisse de lire un capteur de température, de traiter un signal audio ou de contrôler un pilote moteur, la qualité et l'efficacité des conversions analogiques à numériques (ADC) et numériques à analogiques (DAC) influencent directement les performances globales du système. Une technique souvent négligée qui améliore considérablement l'évolutivité et l'utilisation des ressources est l'intégration des multiplexeurs avec les DAC et les DAC. En orientant plusieurs canaux analogiques ou numériques à travers un seul convertisseur, les ingénieurs peuvent réduire le nombre de composants, simplifier la mise en page des tableaux et réduire les coûts tout en maintenant une précision élevée.

Les fondamentaux des multiplexeurs, des CAD et des CAD

Qu'est-ce qu'un multiplexeur?

Un multiplexeur (MUX) est un commutateur combiné qui sélectionne l'un des signaux d'entrée et qui fait passer le signal sélectionné à une seule sortie. Dans les multiplexeurs analogiques, les entrées et sorties sont des tensions ou des courants analogiques; dans les multiplexeurs numériques, ce sont des niveaux logiques numériques. Pour les systèmes de conversion de données, les multiplexeurs analogiques sont les plus pertinents. Ils sont spécifiés par des paramètres tels que la résistance à l'utilisation, la bande passante, l'injection de charge et la vitesse de commutation.

Rôle des CDA

Un ADC convertit une tension analogique continue en un numéro numérique discret. Les spécifications clés comprennent la résolution (nombre de bits), le débit d'échantillonnage et la linéarité. Pour les systèmes à haute précision, les ADC de registre d'approximation successive (SAR) sont populaires parce qu'ils offrent une bonne résolution à des vitesses modérées avec une faible consommation d'énergie. Sigma-delta ADCs fournissent une résolution plus élevée mais à des vitesses plus basses, ce qui les rend adaptés aux mesures de capteurs.

Rôle des CAD

Dans les systèmes où plusieurs sorties analogiques sont nécessaires (par exemple, commande de plusieurs actuateurs ou canaux audio), un seul DAC peut être jumelé à un démultiplexeur (ou à plusieurs commutateurs analogiques) pour générer plusieurs signaux analogiques indépendants. La combinaison d'un DAC et de commutateurs analogiques est souvent appelée un -DAC avec multiplexage de sortie.

Comment Multiplexage améliore les systèmes de conversion de données

Réduction de la complexité et des coûts du matériel

Par exemple, un système qui surveille 16 capteurs analogiques peut utiliser un multiplexeur à 16 canaux alimentant un ADC à haute résolution au lieu de 16 CDA individuels. Cette approche réduit la surface des PCB, réduit le coût des billets de matériel et simplifie la conception de l'alimentation électrique. Même si une précision élevée est nécessaire, un convertisseur à haute performance partagé entre les canaux peut être plus rentable que de nombreux convertisseurs à moindre coût ayant une précision globale similaire.

Écailabilité et flexibilité

L'ajout de nouveaux canaux nécessite seulement l'extension de l'arborescence multiplexeur (par exemple, en utilisant plusieurs étapes MUX) ou l'ajout d'un autre MUX à un bus ADC existant. En revanche, les systèmes non multiplexes nécessitent un CDA dédié pour chaque nouveau canal, ce qui peut ne pas être possible en raison de contraintes d'espace ou de budget.

Séquentielle d'échantillonnage et de vitesse d'acquisition des données

Dans un système ADC multiplexé, les canaux sont échantillonnés séquentiellement. Le taux d'échantillonnage effectif par canal est égal au taux d'échantillonnage total de l'ADC. Par exemple, un multiplexage ADC de 100 kSPS sur 8 canaux donne un taux effectif de 12,5 kSPS par canal. Cela est suffisant pour de nombreux signaux à faible bande passante (température, pression, etc.). Pour des applications à bande passante plus élevée, un échantillonnage simultané utilisant plusieurs CDA est nécessaire.

Amélioration de la gestion des signaux et de l'isolement des canaux

Les multiplexeurs assurent une excellente isolation canal-canal lorsqu'ils sont correctement sélectionnés. Les signaux hors canal sont atténués, empêchant les échanges croisés pendant la conversion du canal actif. De plus, les multiplexeurs peuvent être utilisés pour mettre en œuvre des systèmes de protection : avant de passer à un nouveau canal, le multiplexeur peut être réglé à un état sûr connu.

Architectures pour l'intégration Multiplexer-ADC

Multiplexage à une seule extrémité

La topologie la plus simple utilise un multiplexeur à une seule extrémité alimentant un CDA à une seule extrémité. Tous les signaux d'entrée sont référencés à un terrain commun. Cela fonctionne bien lorsque tous les capteurs partagent la même référence au sol et que les niveaux de signal sont dans la plage d'entrée ADC. Cependant, les boucles au sol et le bruit en mode commun peuvent dégrader les performances.

Multiplexage différentiel

Pour une immunité sonore plus élevée, on peut utiliser des multiplexeurs avec entrées différentielles. Chaque canal a une entrée positive et négative. L'ADC doit également être différentiel. Cette configuration annule le bruit en mode commun et est préférée dans les applications industrielles avec des longs câbles.

Multiplexeur avec amplificateur programmable de gain (PGA)

Souvent, la sortie multiplexeur alimente un PGA avant l'ADC. Le PGA ajuste l'amplitude du signal pour correspondre à la gamme complète d'ADC, améliorant ainsi la portée dynamique. Le gain peut être programmé par canal, en installant des capteurs avec des tensions de sortie très différentes. Cette combinaison (MUX + PGA + ADC) est disponible en solution monopuce pour l'acquisition de données haute résolution (Systèmes d'acquisition de données des appareils de l'analog.

Multiplexage temps-division pour les DAC

Du côté de la sortie, un seul DAC peut être partagé dans le temps entre plusieurs sorties analogiques en utilisant des commutateurs analogiques (un démultiplexeur). Le DAC met à jour sa sortie à la tension souhaitée pour le canal 1, puis le commutateur se connecte au canal 1 tandis que le DAC met à jour le canal 2, etc. Les sorties analogiques doivent être échantillonnées et conservées (avec des circuits externes d'échantillonnage et de stockage ou avec un stockage capacitif) pour maintenir une sortie stable entre les mises à jour. Le taux de mise à jour par canal est le taux de mise à jour DAC="s divisé par le nombre de canaux.

Applications pratiques

Imagerie médicale et surveillance des patients

Dans les moniteurs multiparamètres, des dizaines de capteurs (ECG, SpO2, température, pression artérielle) doivent être numérisés simultanément pour une analyse en temps réel. Cependant, la bande passante de chaque capteur est faible (DC à quelques centaines de Hz). Un système ADC multiplexé avec un convertisseur Sigma-delta haute résolution peut gérer tous les canaux économiquement. Par exemple, un multixage ADC 24 bits sur 16 canaux fournit plus de résolution que suffisant pour les signaux médicaux.

Automatisation industrielle et systèmes de détection

L'automatisation d'usine nécessite souvent la surveillance de nombreux capteurs de température, de pression et de débit répartis dans une usine. Un système d'acquisition de données distribué utilise des multiplexeurs pour apporter plusieurs signaux de capteurs locaux à un CDA central. Le multiplexeur peut être placé près des capteurs pour réduire le câblage, et les lignes de commande numérique peuvent être transmises sur de plus longues distances. Cette approche est courante dans les contrôleurs logiques programmables (CPL) et les unités de terminaux à distance (RTU). Texas Instruments propose des notes d'application sur acquisition de données multiplexes pour le contrôle industriel.

Traitement audio et vidéo

Dans les consoles de mixage audio professionnelles, plusieurs canaux audio analogiques (microphones, instruments) sont acheminés vers un seul ADC pour le mixage numérique, ou un seul DAC est démultiplexé vers plusieurs canaux de sortie. Bien que les équipements audio modernes utilisent souvent des codecs dédiés par canal, les conceptions sensibles aux coûts pour les interphones ou la diffusion dépendent toujours du multiplexage.

Systèmes de capteurs automobiles

Les véhicules modernes contiennent plus de 100 capteurs, de la pression des pneus à la température du moteur. Pour maintenir le poids du faisceau de câblage et des coûts, les CDA multiplexés sont utilisés de façon intensive. Par exemple, un module de commande corporelle peut lire tous les commutateurs de porte et capteurs de température intérieure par un CDA SAR 12 bits avec un MUX de 8 à 1 . Le multiplexage de sortie DAC est utilisé pour l'éclairage variable des tableaux de bord et la rétroaction haptique.

Considérations de conception pour la conversion de données multiplexées

Intégrité et bruit des signaux

Les multiplexeurs introduisent une résistance et une capacité qui peuvent former des filtres RC avec la capacité d'entrée ADC, limitant la bande passante et causant des erreurs de réglage. Le MUX doit se régler dans le temps d'acquisition ADC. Utilisez des multiplexes avec une faible résistance et des temps de commutation rapides. Condensateurs de contournement appropriés et tampons de commande à faible impédance après le MUX peuvent atténuer les problèmes de règlement.

Calendrier et synchronisation

Dans un système ADC multiplexé, le contrôleur doit générer un chronométrage précis. Les lignes d'adresses MUX changent, puis attendent que le commutateur se règle avant de commencer la conversion ADC. Après la conversion, le canal suivant est sélectionné. Dans les systèmes synchrones, cette séquence peut être gérée par une machine d'état ou un DMA à déclenchement de minuterie. Pour le multiplexage de sortie DAC, la sortie DAC doit se régler avant que le commutateur analogique ne change la sortie vers le canal suivant.

Résolution et compromis de vitesse

Les CDA à résolution plus élevée ont généralement des taux d'échantillonnage plus lents. Lorsque plusieurs canaux sont multiplexés, le débit par canal diminue proportionnellement. Pour un système à 16 canaux avec un CDA de 10 kSPS, chaque canal ne reçoit que 625 Hz. Pour les signaux à haute fréquence, comme l'analyse des vibrations, cela est insuffisant. Dans de tels cas, envisager d'utiliser plusieurs CDA ou un CDA plus rapide (p. ex., un CDA SAR 1 MSPS avec un MUX de 16 à 1 donne encore 62,5 kSPS par canal, ce qui peut être adéquat pour de nombreuses applications).

Consommation d'énergie

Les multiplexeurs consomment une puissance négligeable, mais l'ADC et les amplificateurs tampons ne le font pas. En réduisant le nombre de DCA, la puissance totale du système peut être réduite. Cependant, l'ADC doit rester actif pendant que n'importe quel canal est échantillonné. Pour des applications de très faible puissance, telles que les nœuds de capteur IoT, il peut être préférable d'utiliser un seul DCA avec du vélo de service : l'ADC se trouve à la baisse entre les conversions et le canal de ralenti MUX.

Traversée de la voie et hors isolement

Même lorsqu'un canal n'est pas sélectionné, une petite quantité de signal sur ce canal peut coupler dans le canal sélectionné en raison d'un couplage capacitif au sein du MUX. Ceci est appelé désisolation et est spécifié dans dB. Pour des mesures précises, choisissez des multiplexeurs avec désisolation meilleure que −80 dB aux fréquences de signal d'intérêt. De plus, à des taux de commutation élevés, l'injection de charge des portes de commande peut créer des compensations de tension.

Protection et manutention des surtensions

Les capteurs dans des environnements difficiles peuvent produire des tensions qui dépassent la plage d'entrée ADC-S ou l'alimentation MUX-S. Les multiplexeurs sont généralement notés pour les tensions d'entrée maximales (p. ex. ±15 V pour un CMOS MUX standard). Si une tension excessive est possible, il faut des diodes de serrage externes ou des résistances limitant le courant.

Sujets avancés et solutions hybrides

Échantillonnage simultané par rapport à un échantillonnage multiplexé

Lorsque des mesures sensibles aux phases sont nécessaires (p. ex., surveillance de la puissance en trois phases), chaque canal doit être échantillonné exactement au même instant. Les CAA multiplexés introduisent intrinsèquement un décalage de temps entre les canaux. Pour ces applications, utilisez des CAA à échantillonnage simultané (avec plusieurs circuits d'échantillonnage et de retenue) ou plusieurs CDA. Certaines puces modernes d'acquisition de données combinent plusieurs circuits d'échantillonnage et de retenue avec un seul convertisseur et un multiplexeur pour la conversion séquentielle des valeurs retenues, offrant un compromis.

Daisy-Chaining multi-cuisson

Pour les systèmes à très grand nombre de canaux (p. ex. 256 ou plus), plusieurs étapes de multiplexeur peuvent être en cascade. Par exemple, un MUX principal sélectionne l'un des 16 MUX premiers stades, chacun d'entre eux choisissant l'un des 16 entrées. Cela crée un arbre MUX 256 à 1. La logique de contrôle devient plus complexe, mais l'ADC reste unique. Le temps de décantation augmente en raison de la résistance et de la capacité de série supplémentaires; un tamponnage soigneux est essentiel.

Filtre numérique et moyenne

Dans les systèmes multiplexés, le bruit peut être réduit en suréchantillonnage et en moyenne de chaque canal. Après que tous les canaux ont été convertis une fois, la séquence se répète. Des filtres numériques à passe basse peuvent être appliqués à chaque flux de données canal. Ceci est particulièrement efficace pour les signaux variant lentement et peut améliorer la résolution efficace par plusieurs bits (la technique est souvent appelée -gain en moyenne de -).

Considérations relatives aux logiciels et aux logiciels firmware

Pour les systèmes à grande vitesse, utilisez DMA pour transférer les résultats de conversion directement à la mémoire sans intervention du CPU. Pour le multiplexage de sortie DAC, un DMA à déclenchement par minuterie peut charger de nouveaux codes vers le DAC à intervalles précis, tandis que les commutateurs de sortie sont contrôlés par un modèle GPIO séparé.

Conclusion

En intégrant les multiplexeurs aux CAD et aux CAD, les ingénieurs peuvent déployer des architectures monoconvertisseurs qui gèrent des dizaines ou même des centaines de canaux sans sacrifier la précision. L'utilisation généralisée de conceptions multiplexées dans des domaines allant des dispositifs médicaux aux systèmes automobiles souligne leur valeur pratique.Comme la technologie de conversion continue d'améliorer – offrant des vitesses plus élevées et une puissance plus faible – l'architecture multiplexée restera une pierre angulaire de la conversion analogique-numérique et numérique-analogique moderne. Pour plus de détails, consultez les notes d'application du fabricant telles que ] et [Analog Devices].