הקדמה: התפקיד הקריטי של שיעור ה-Sampling ביצועים ADC

ניתוח-ל-Digital Converters (ADCs) משמש גשר חיוני בין העולם האנלוגי המתמשך לבין התחום הדיגיטלי של ניירט (Nyrete), כל חיישן קורא, הקלטה אודיו, שידור רדיו, וסריקה הדמיה רפואית תלויה ADC כדי להפוך אותות אמיתיים בעולם נתונים כי מעבדים יכולים לנתח, לאחסן או לשדר.

מה זה SAVES? A Deeper Look

(ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניתן לסווג את ה-ADC כמדורג (מרווח מתוקן) או לא אחיד, אך בפועל רוב ADCs משתמשים בדגימה אחידה.בנוסף, כמה מערכות משתמשות ב-FLT:0over-samplingFLT:1, שבו שיעור הדגימה נקבע באופן מכוון הרבה יותר גבוה מאשר הדרישה לניקוויקט, ו-FLT:2undersamplingFLT: לעתים קרובות בשימוש בגרסאות אלה עבור תרחישים נבחרים.

החלטה של ההרחבה Versus

(הופנה מהדף ה-ADC (המספר של ביטים) הם עצמאיים.למעשה, הם אינטראקציה דרך ארכיטקטורת ADC.לדוגמה, FLT:0successive-approximation-register (SAR) ,FLT:1 ADCs בדרך כלל מציעים החלטה גבוהה בשיעורי דגימה מתונה, בעוד ש-FLT2inalaldows 3D) עם מהירות מסחר גבוהה מאוד (D5aLTer) עם רמה גבוהה של LT5a-D.

The Nyquist-Shannon Sampling Theorem: The Unbreakable Rule

(ב) אין דיון בפרשת ה[[המאה ה-20]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1966]]]]]]]], [[1966]], [[1924]]]]]], [[1966]]]]]]]], [[1966]]]]]], [[1966]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1966]]]]]]]]]]]] [[[[1966]],

אם האות מכיל תדרים מעל תדירות Nyquist, רכיבים אלה הופכים בלתי ניתנים לגילוי בתדרים נמוכים יותר - תופעה הנקראת FLT:0aliasingFLT:1 ; Aliasing הוא לא עיוות שניתן לא אחד; זה משחית לצמיתות את הנתונים המדגם. לדוגמה, בהקלטה אודיו, טון 30Hz מדגם ב 44.1 k (Nquist תדירות ⁇ ) כמו klias klias, למשל, 0.

פילטרים אנטי-איליסינג: ההשתנות החיונית

כדי למנוע זיהוי, מערכות ADC מעשיות כוללות את AFLT:0 (אנטי-aliaing filterearsFLT:1 לפני הממיר.זה מסנן נמוך פילטר תדרים מעל תדירות Nyquist. את סדר המסנן ואת תדירות חיתוךוף חייב להיות נבחר בקפידה כדי להסיר אותות מחוץ לפס תוך שמירה על האות הרצוי.

השלכות על שיעור הספלינג: מתחת ל-Sampling, Over-Sampling, and the Real Trade-Offs

הבחירה של קצב הדגימה כוללת איזון נאמנות, נפח נתונים, כוח ומורכבות מערכת.

מתחת ל-Sampling and Aliasing

התעלמות מתחת לשיעור Nyquist באופן בלתי נמנע גורמת למזעור או ל-FLT:0intentional under-samplingFLT:1 (הנקרא גם sampling או sampling sampling) משמש ב- RF ותקשורת כאשר אות הריבית תופסת רוחב פס צר הרבה מעל DC. על ידי דגימה בקצב נמוך יותר מאשר פעמיים את תדירות אבל מעל כפול, לא ניתן להפחית את אותות של רוחב הפס של אותו ספקטרום.

Over-Sampling: הטבות ועלויות

מעל לשיעור הניקוויסט – FLT:0-SamplingFelo: 1

  • (ב) ⁇ :0) עיצוב: 1 מתוך ⁇ ADCs, over-sampling דוחף את אנרגיית הרעש הקוונטית בתדרים גבוהים יותר, אשר ניתן לסנן במהלך הדהמה, עלייה דרמטית ברזולוציה יעילה.
  • (FLT:0) ,העברה של מורכבות מסנן: אנדרט 1:1 A גבוה יותר תדירות Nyquist מאפשר מסנן אנלוגי פשוט יותר.
  • (FLT:0) שיפור יחס אות-ל-אין (SNR): FLT:1Over-sampling מפיץ רעש קוונטי מעל רוחב פס רחב יותר; לאחר סינון דיגיטלי, הרעש בפס מופחת.כל הכפלת קצב הדגימה (4× over-sampling) יכולה לשפר את SNR על ידי בערך 3DB (חצי).

עם זאת, עודף דגימה מגיע עם עונשים: מהר יותר ADCs לצרוך יותר כוח, לייצר יותר חום, לייצר זרמי נתונים ענקיים כי אחסון זנים עיבוד דיגיטלי. מערכות בזמן אמת לא יכול לסבול את ההיקף המוגבר מסננים decimation.

הצעות מסחר בעיצוב מערכת

בחירת שיעור הדגימה הנכון מכריחה מהנדסים לשקול מגבלות מרובות:

  • (ב) ,0) רוחב פס: 1 (FLT:1) תדירות הריבית הגבוהה ביותר היא הנהג הראשי.
  • דרישות טווח דינמיות: FLT:1 , ייתכן שההחלטה גבוהה יותר תהיה זמינה באמצעות דגימה יתר, אך בעלות המהירות.
  • תקציב:0 (Power Budget:BuildFLT:1) חייב למזער את קצב הדגימה כדי לשמר אנרגיה.
  • (ב) ,0 נתונים באמצעות חישוב: 1 מעלות צלזיוס דורש ממשקים מהירים יותר ויותר זיכרון.
  • (ב) ⁇ :0 (לא עקביות: 1) לולאות בקרה בזמן אמת זקוקות להמרות של נדיבות נמוכה, אשר מעדיף מהירויות גבוהות יותר, אך גם עיצוב צינור זהיר.

השפעות על ADC Performance Metrics

שיעור הדגימה משפיע לא רק אם ההשלמה מתרחשת, אלא גם על נתוני הביצועים הבסיסיים של ADC.

מספר יעיל של ביטים (ENOB)

ENOB מודד את ההחלטה האמיתית של ADC חשבונאות עבור רעש ועיוות. as sampling rate, ה- ADC של חזית קו החזית האנלוגיה של ADC ו-Comparator עלול להציג שגיאות ג'ייטר וסידוריות, מה שגורם ל-ENOB ליפול.

אותות-to-Noise Ratio (SNR) ו- Signal-to-noise-and-Distortion Ratio (SINAD)

SNR מושפע ישירות מקצב הדגימה באמצעות צפיפות הרעש הקוונטי.Doubling את קצב הדגימה halves את כוח הרעש לכל רוחב פס יחידה, אבל הרעש התרמי של ADC ו- jitter עם תדירות.עבור ADC נתון, SNR בדרך כלל מדגימות בקצב גבוה מאוד עקב רוחב פס אנלוגי מוגברת ורעש משותף.

Spurious-Free Dynamic Range (SFDR)

SFDR מודד את ההבדל בין אות היסוד לבין הטון הגדול ביותר מעורר קנאה.בשיעורים גבוהים, לא ליניאריות במעגל מדגם ADC של מדגם-ועצמית לייצר הרמוניות המופיעות בתוך להקת Nyquist.Over-sampling יכול לדחוף כמה הרמוניות מעבר ללהקה של עניין, אבל מוצרי ה-Intermodulation עדיין עלולים לגרום לבעיות בסימנים רב-טון.

Aperture Jitter and Unquity

הרגע המפוספס בפועל משתנה מדגימה לדגימה בשל שעון ג'ייטר זה (FLT:0aperture jitterFLT:1 גורם שגיאה ביחס למדרונות אות הקלט.עבור קצב מפוספס, גבוה יותר ותדירות גבוהה יותר של הדגימה הן להגביר את השגיאה, מחית את מערכת היחסים ניתן על ידי:

(ב) [17] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) שם (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Power Contion and Figure of Merit (FoM)

(ה) צריכת החשמל ב- ADC בדרך כלל עולה באופן ליניארי או סופר-לינארי עם שיעור הדגימה (ה-FLT:0Walden Figs) של הצטיינות (FoM= Power / (2FLT:2ENOBoriph: 3 ×FLT:4FLT:5sFLT= Power / 2FLT 7) משמש לעתים קרובות להפחתה של כוח נמוך יותר מאשר 10J.

יישום מעשי: היכן ש-Sampling Rate Choice Makes or Breaks the System

עיבוד אודיו

תקליטורי אודיו סטנדרטיים משתמשים ב-44.1 kHz sampling Rate, אשר יכול לייצג באופן תיאורטי אותות עד 22.05 kHz - בדיוק מעבר לשמיעה אנושית. אודיו ברזולוציה גבוהה מאמצ 96 kHz או 192 kHz כדי להפחית שלב עיוות מסנן המסנן ולשמר תוכן קולי. עבור הקלטת מקצועית, 96Hz הוא נפוץ, בעוד 192 k משמש לייצור שבו למטה-ampling עד 44.1 הטבות עבור הפצה ראשונית.

תקשורת Wireless

רדיו מוגדר תוכנה (SDRs) לעתים קרובות דגימות תדרי ביניים (IF) בשיעורים מ 10 MS /s עד 100 MS /s. בחירה של קצב דגימה קובע את רוחב הפס המיידי של SDR יכול ללכוד.עבור 5G NR אותות עם 100 MHz רוחב פס, דגימה ב > 200 MS /s נדרש (Nyt), אבל SDRs לעתים קרובות להשתמש 24G5 / FLC כדי לפשט את ה-A.

Imaging (Ultrasound, MRI, CT)

מערכות אולטרה סאונדמות אותות ממערך של אלמנטים אדזואלקטריים, כל אחד מהם מדגימים בשיעורים מ 20 עד 80 MS /s. גבוה יותר sampling שיעורי לשפר את פתרון מרחבי אבל להגדיל את הנתונים באמצעותput באופן דרמטי. ADCs עם רזולוציית 12 סיביות ו 80 / MS /s נפוצים במכונות אולטרסאונד מודרני. Oversampling בשילוב עם beamizing דיגיטלי מאפשר להתמקד דינמי ללא אנלוגיה.

חקירה תעשייתית

ברכישת נתונים מדויקים (DAQ) עבור חיישנים כמו Accelerometers או thermocouples, sampling ריבית טווח מכמה הרץ עד 100 kHz. Oversampling משמש לעתים קרובות למהירויות מסחר עבור החלטה - ADC 24bit עם 10 k פלט נתונים דגימות פנימיות של מעל 10Hz, ולאחר מכן decimates כדי להשיג את ההחלטה הגבוהה הנדרשת עבור מדידות בתדר נמוך.

בחירת שיעור ה-Sampling: גישה שיטתית

בחירת קצב הדגימה עבור עיצוב חדש כרוך בצעדים אלה:

  1. (ב) ויקרא י"ד): "ה' אלקים' (ב"ב)"ה' (ב"ב)"ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]
  2. (ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  3. (FLT:0 אסת'ס את ההחלטה הנדרשת.FLT:1 אם המטרה ENOB גבוהה ( ⁇ 16 ביטים), over-sampling עשוי להיות הכרחי.לצמצם את יחס הדגימה (OSR) כדי להשיג את השיפור ה-SNR הדרוש: כל הכפלת של OSR מניבה בערך 3 dB SNR, אך ירידה חוזרת שנקבעה מעבר ל-OSR=16 עיצובים רבים.
  4. (ב) [ה]ב]: [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה], [ה], [ה],] [ה], [ה]]], [ה], [ה], [ה], [ה]ה']'[ה']'[ה']'''''']''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
  5. (FLT:0) ניטור של כוח ומגבלות של שיעור הנתונים.IRLT:1) תעריפים גבוהים יותר להגדיל את עומס המעבד ועשויים לדרוש ממשק סידורי מהיר יותר (למשל, JESD204B או LVDS).
  6. (ב) סימולציות של רוצ'י סימולציות או אבטיפוס 1 (FLT:1) עם אותות מייצגים ומדד SINAD, SFDR ו-ENOB בשיעור הדגימה של המועמד.
  7. (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Over-Sampling and Decimation in ⁇ ADCs

(ב) ⁇ (ADCs) מתג פנימי בשיעורים גבוהים מאוד (למשל, 10 MHz) כדי להשיג 16-24 ביטים של רזולוציה בשיעורי נתונים של כמה kS/s עד 10 kS /s. פילטר הפחת הדיגיטלי מסיר את צליל הסימון הקוונטי הגבוה (DR) 3B4 ל-FLT3FIRD2:

שיקולים מתקדמים: Jitter, Aperture Unquity ו-Sampling Hour Quality

אפילו עם חישובים מושלמים מבחינה תיאורטית ADC, שעון ג'ייטר מעמיד גבול עליון על תדרי קלט גבוהים.FLT:0Aperture nonFLT:1 מתייחס לריאציות אקראיות בזמן המדויק הדגימה נלקחת.זה בעייתי במיוחד במתחת הדגימה או IF-ampling Architectures שבו תדירות קלט יכול להיות מאות מ"מ.

Multi-Channel SynSyncization

מערכות רבות משתמשות במספר רב של ADCs כדי לטעום מספר ערוצים סינכרוניים (למשל, מכ"ם בשלבי-ריי, אודיו רב-ערוצי) (שעון הדגימה) חייב להיות מחולק עם skew מינימלי וג'ייטר כדי לשמר מערכות יחסים שלב.שיעורים גבוהים יותר של הדגימה את הרגישות של סקייטבורד כי הזמן בין דגימות מתכווץ, מה שהופך את זה קשה יותר לשמור על היערכות בין ערוצים.

מסקנה: Master the Sampling Rate to Master Signal Fidelity

שיעור הדגימה הוא הרבה יותר מאשר מפרט פשוט - זהו הציר שסביבו כל ביצועי ADC פועלים על ידי חוק הברזל של משפט Nyquist להטבות המושפעות של oversampling, היכולת של המהנדס לבחור וליישם את קצב הדגימה הנכון קובע אם אות הוא מדויק דיגיטלית או מופרע באופן בלתי נפרד של יישומים מודרניים, אך המהירות של סימטריה, אך מהירויות של סימטריות, אך עדיין, אך ורקמות של רזולוציה של קצב הכבוד, אך ורקמות, על ידי אימוץ, על ידי רזולוציה של סודיות, אך ורקמות, אך ורקמות, סימטרית, אך ורקמות, בין סימטריה, על ידי סימטריה, על ידי סימטרי, על ידי סימטרית של סימטרי, על ידי מהירויות של סימטריות, אך ורקמות, רזולוציה של רזולוציה של סימטריה, אך סימטרית, אך מהירויות של סודיות, אך סודיות, על ידי סודיות, אך סודיות, אך סודיות, אך סודיות, אם אות של סימטרית של סודיות, סימטריות, אם אותות, אם אותות, אם אותות, אם אותות, על ידי סימטריות, על ידי רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של סימטריות, אם