האתגר של לכידת אות רחבה

במחקר מדעי, היכולת לדיגיטליזציה של אותות המשתרעים על פני פקודות רבות של גודל היא לעתים קרובות ההבדל בין תצפית פורצת דרך לבין תופעה מפספסת. אנלוגי-ל-דיגיטלית עם מגוון דינמי גבוה יכול לפתור אותות זעירים בנוכחות אותות גדולים בהרבה, יכולת לתחומים קריטיים כגון אסטרונומיה רדיו, ספקטרומטריה המונית, פיזיקה באנרגיה גבוהה, הדמיה ביולוגית ביצועים, כלומר, דורשות אסטרטגיות אסטרטגיות מתקדמות של מערכת דינמית, אך היא דורשת בחינה קפדנית של חשיבה אסטרטגית.

הבנה של טווח דינמי ב ADCs

טווח דינמי (DR) מוגדר באופן רשמי כיחס של האות הגדול ביותר ADC יכול דיגיטציה ללא עיוות (הקלט המלא שלו) לאות הקטן ביותר שהוא יכול להבחין בין רעשים.מהנדסים בדרך כלל לבטא יחס זה ב decibels (dB) באמצעות המשוואה:0DR = 6.02 × N + 1.76 dBFal:1LT אידיאלי N-biter, שבו מספר דינמי הוא לעתים קרובות יותר מאשר שעון דינמי, הוא קטן יותר, 000 יעיל יותר, 000, 000, הוא פחות יעיל יותר מאשר טווח דינמי, 000.

מכשירים מדעיים נתקלים לעתים קרובות אותות עם עלייה של אדמדנים שונים על ידי גורמים של 1003FLT:04033 sFLT 1 ל 1003FLT:26FLT 3 או יותר. לדוגמה, טלסקופ רדיו חייב לזהות בו זמנית פליטות קוסמיות חלשות ודחה הפרעה כדור הארץ חזק. a Massspectrometer צריך למדוד את שיא ההורות הדומיננטיות ואת קטעי השיא של 100B זה לא מספיק כדי לקבוע סימנים דינמיים, או דיכאי, כלומר, כלומר, רק בטווח דינמי, או די, כלומר, כלומר, אם זה לא מספיק, כלומר, רק לטווח בינוני, רק עבור חומר זה לא מספיק, אם זה רק עבור טווח דינמי, אם זה רק עבור חומר זה רק עבור חומר זה רק עבור חומר זה לא מספיק, כלומר, כלומר, אם זה רק עבור חומר זה רק דינמיקה גבוהה של חומר זה רק דינמיקה גבוהה של חומר זה רק דינמיקה, אם זה רק לטווח בינוני, כלומר, כלומר, אם זה רק עבור טווח דינמי.

אסטרטגיות ל High Dynamic Range

אף טכניקה אחת לא מספקת את הטווח הדינמי הנדרש למדידות מדעיות תובעניות.מעצבים חייבים לשלב גישות מרובות, איזון, מהירות, כוח ורעש.אסטרטגיות הבאות מהוות את הבסיס של תכנון מערכת מערכת גבוהה של מערכת ADC.

בחירת אדריכלות ADC

הדרך הישירה ביותר למגוון דינמי גבוה יותר היא להגדיל את ה-R&rquo; רזולוציה של 16 סיביות ADC מציעה DR תיאורטי של כ-96 dB, בעוד ממיר 24bit יכול לעלות על 140 dB בתנאים אידיאליים. עבור מכשירים מדעיים, FLT:0delta-sigma ( ⁇ ) ADCsFLT:1 הם לעתים קרובות מועדפים כי הם משתמשים oversampling ו-Facting ⁇ tine של התקנים מודרניים, כמו ⁇ tances (אפילו) עם ⁇ t) עם ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ההצלחה) ADCs, לעומת זאת, מציעים שקיפות נמוכה יותר והם מתאימים יותר עבור מערכות מרובות ערוצים שבו כל ערוץ צריך המרה מהירה. SAR ADCs עכשיו להגיע 18 סיביות בשיעורי דגימה של כמה מדגימות לשנייה.

קבל Amplifiers for Range Matching

אפילו הרזולוציה הגבוהה ביותר ADC לא יכולה לנסח אות קטן יותר מגודלו הקטן ביותר (LSB) בגודל של A Promable רווח מגבר (PGA) שהוצב לפני ה- ADC מאפשר למעצב להגביר את אותות חלשים כדי לנצל באופן מלא את ADC ’ טווח קלט, תוך צמצום הרווח לסימנים חזקים למניעת ריצוף.טכניקה זו מרחיבה ביעילות את טווח הדינמיקה של מערכת 1,2, 121, ו- 4G, עם 4G, 000, 000, לעומת 4.

מעצבים חייבים לנהל בקפידה את דמות הרעש של PGA, כי הרעש שלה מוסיף לאות לפני הדגימה.FLT:0Low-noise PGAsphFLT:1 (למשל, אלה המבוססים על מגבר תפעולי דיוק מטכנולוגיית המרת קואר או מקסי Integrated) עם התנגשויות מתחת 1V / ⁇ חיוני לשימור היכולת לפתור אותות מיקרו-קויים, בנוסף ל-DC קידוד.

המונחים: noise Management

מחוץ לממיר עצמו, הקצה הקדמי האנלוגי ממלא תפקיד מכריע בקביעת טווח דינמי אמין.שלוש שיטות מפתח שולטות:

  • (FLT:0) פילטרים נגד-פלילינג: LT:1 ; מסנן נמוך מסדר גבוה (למשל, צו 4 או 6th או Butterworth או elliptic) מסיר רעש מחוץ לפס ומונע תדירות לקפל לאחר הדגימה.
  • (ב) .0 (Impedance) תואם: FLT:1 עבור אותות קידוד גבוה (למשל, מכ"ם או אולטרסאונד רפואי), יש לקחת בחשבון את ההשפעות של קו השידור עבור שימוש בbu או balun מקטין השתקפות כי degrade SF.
  • (FLT:0Grounding and Protecting:FLT:1) מכשירים מדעיים פועלים לעתים קרובות בסביבות רועשות אלקטרומגנטיות. a Star-ground טופology, מטוסים אנלוגיים ודיגיטליים נפרדים עם גשר אחד, ומוגן - כולם עוזרים למזער את איסוף של 50/60 הרץ ורעשי שעון דיגיטליים.

אדריכלות כפולה ורב-Range

כאשר האות אמפליטודה יכול לארוך יותר מ -100 dB, ערוץ ADC יחיד עדיין יכול ליפול קצר.אחד פתרון מוכח הוא להשתמש ב-FLT:0dual-rangeFLT:1 או FLT:2multi-rangeFLT 3 תצורה של ADC יכול לדגום את אותו אות במקביל, אחד עם רווח קבוע (מהירות) עם אותות שונים עם רמה אחת (מהירות) עם רמה אחת עם רמה אחת (מקסימום) עם רמה אחת עם רמה אחת עם אותות שונים של לכידת).

גישה נוספת היא ADC:0 (הכפלה של ADCFIRLT:1 או (FLT:2pipeline ADC עם שלבים רווח מדבקים 3 (בעיצובים כאלה), טווח הקלט מחולק למגוון רחב, כל ספרה על ידי תת-ADC ייעודית, אדריכלות זו נפוצה בנתחי ספקטרום גבוה ורשומות טרנספורמטיביות בשימוש בפיסיקה.

מינוף ותוכנה

שום ADC אינו ליניארי לחלוטין, והתחלה, רווח וטעויות לא ליניאריות הופכות משמעותיות כאשר שואפים לטווח דינמי גבוה. 2 צורות של קליברציה הן חיוניות:

  • (FLT:0) ⁇ שטח: FIRLT:1 במהלך הייצור, כל ADC מאופיין בטמפרטורה ומתח, ותקני תיקון נשמרים. עבור הביצועים הגבוהים ביותר, התייחסות מתח מדויק (למשל, LM399 או L1000) משמש כדי להגדיר קנה מידה מוחלט.
  • (FLT:0) במערכת ⁇ :FreaLT:1) בשדה, אות התייחסות ידועה מוזרק מעת לעת. תיקונים דיגיטליים יכולים להסיר את ההתחלה, לקבל סחף, ואפילו רכיבים מסוימים שאינם לינאריות.זה חשוב במיוחד בכלים מדעיים הפועלים לאורך זמן ארוך או תנודות טמפרטורה רחבות.

(ה) הפחתה של ⁇ (בקיצור: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שיקולים לניסויים מדעיים

תרגם אסטרטגיות אלה למכשיר עבודה דורש תשומת לב זהירה לפרמטרים ברמת המערכת שלעתים רחוקות נדונים בגליונות נתונים.השיקולים הבאים הם הכרחיים להשגת טווח דינמי גבוה אמין בסביבת מחקר.

ENOB ו-Real-World Resolution

(המספר היעיל של ביטים (ENOB) מחושב על ידי מדידת SNR ו SINAD (יחסי חתימה-לכאורה-to-noise-and-distortion) בתדירות קלט נתונה, בעוד ש- 24bit ADC עשוי לפרסם ENOB של 21 סיביות בתדרים ספציפיים בתדרים נמוכים (ALTF) יכול לרדת ל-16 סיביות או נמוך יותר כאשר הדגימה גבוהה יותר עבור מערכות שחייבות את ה-D2 (D) בין 2.

ניהול תרמי וד"ר

שינויים בטמפרטורות גורמים לשינויים במתח ההתחלתי, רווח, ומתח ההתייחסות – כולם מקטינים טווח דינמי.בטלסקופ רדיו חיצוני או ספקטרום תעשייתי, הטמפרטורה הממוקדת עשויה להשתנות עד 20-30 מעלות צלזיוס, אשר נעשה שימוש ב-FLT:0temperature-stable ReferenceFLT:1 (כגון MAX6126 עם טמפרטורה של 3 חסכונית p / C) ולעיתים מוצדקת באמצעות פריסה סטנדרטית גבוהה יותר לטמפרטורה יעילה יותר עם מגבלות מחשבתית (pericer) עם טמפרטורה יעילה יותר עם מגבלות על ידי ייצוב).

כוח אספקה ושיקום

(הטווח הדינמי הגבוה ADCs רגישים מאוד לרעש אספקת החשמל.יחס דחיית החשמל (PSRR) של ADC טיפוסי הוא סביב 60-80 dB ב DC, אבל מדרגות בתדרים גבוהים יותר.שימוש ב הרגולטורים ליניאריים נמוכים (למשל, LT3042 או ADP150) עם תוספת של LC-filtering עבור אספקת הרכבות האנלוגית הוא מנהג משותף של אספקת אלקטרוניקה דיגיטלית (Facteric) מקבציית (כלומר, 000) מקבציית (כלומר, 000) או ALTD) עם LTD.

סקלאלה ומודולריות

מחקרים מדעיים לעתים קרובות דורשים מערכת להתפתח לאורך זמן - העלאה של יותר ערוצים, שיעורי הדגימה גבוהים יותר, או החלטה טובה יותר.עיצוב קצה חזית ADC מודולים מודולים PGA, בנקים מסננים משתנים, ו הגדרות רווח מבוקר תוכנה, מאפשר את המכשיר להיות משודרג ללא אלגוריתמים סטנדרטיים לחלוטין (למשל, SMA עבור קלטות גבוהות, או הגדרות רווח שונות עבור אינטגרציה דיגיטלית) הם גם אלגוריתמים יותר קל יותר עיבוד.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

מהנדסים לעתים קרובות עומדים בפני דרישות סותרות כאשר הם מחפשים את המגוון הדינמי הגבוה ביותר האפשרי.המתקפה הנפוצה ביותר כוללת:

  • (FLT:0Speed לעומת ההחלטה: FLT:1 רזולוציה גבוהה יותר ⁇ ADCs יש שיעורי דגימה מקסימלית נמוך יותר. עבור יישומים הדרושים > 100 MS /s, כגון דגימה ישירה של אותות RF עבור אסטרונומיה רדיו, 12-16 SAR או צינורות ADCs משמשים, וטווח דינמי הוא משופר על ידי פיזור דיגיטלי ו averaging.
  • (FLT:0) צריכת כוח לעומת ביצועים:FLT:1ir דינמית מאוד טווח ADCs (למשל, 24bit, 250 kS /s) עשוי להתפזר 100 mW או יותר. בכלי שדה מופעל סוללות, זה מעצור רציני. SAR DC עם 16 סיביות ב 1 MS /s (כגון הצעת AD76.
  • (FLT:0) לעומת צורך:FLT:1 , התקציבים המדעיים מוגבלים לעתים קרובות. ADC 24bit עם PGA משולב (כמו AD7124-8) יכול לספק 140 dB דינמי טווח בחלק מהעלות של פתרון דיסקרטי, מה שהופך אותו אידיאלי עבור פרויקטים רבים באוניברסיטה וסטארט-אפ.

נפילה נפוצה היא (FLT:0) הכלל-מחדש של רזולוציה ADC בעוד הזנחה של קו החזית האנלוגיה.אפילו ממיר של 32 סיביות לא יכול לשפר טווח דינמי אם למגבר הקודם יש רצפת רעש של 100 μV או אם ההתייחסות למתח נעוצה על ידי 50 ppm / C. המערכת ’ טווח דינמי הוא תמיד מוגבל על ידי הקישור החלש ביותר שלה.

דוגמאות אמיתיות בעולם למחקר

כמה תחומים ממחישים את יישום מוצלח של אסטרטגיות אלה:

  • (FLT:0) אסטרונומיה:FLT:1 הכיכר קילמסטר Array (SKA) משתמשת בכוכבי לכת רחבים-band מיוחדים המבוססים על דואל-8-bit (למעשה 10bit) בין ADCs עם שיעור דגימה של 4 GHz, השגת מגוון דינמי ללא פאניקה של מעל 70 dB על פני רוחב פס 2GHz.
  • (FLT:0)Mass spectrometry:FLT:1 מודרני quadrupole זמן טיסה (Q-TOF) מכשירים דיגיטציה אותות מגלאי הצלחות באמצעות 2 GHz, 8 סיביות ADCs, אבל לאחר מכן להשתמש עיבוד אותveraging ודיגיטלי כדי להשיג טווח דינמי יעיל של 10Fillo:25FLT 3B).
  • (FLT:0) הדמיה ביו-רפואית: 1FLT:1 קוהרנטיות אופטית לmography (OCT) מערכות לעתים קרובות להשתמש 12-bit ADCs דגימה ב -200 MS /s. כדי לצלם אור חלש אחורי בו זמנית עם השתקפות חזקה מן הזרוע ההתייחסות, החוקרים משתמשים בזיהוי מאוזן ומהירות גבוהה של דינמי לפני ADC, לעקוף את ה-DR המוגבל של עצמו.

מסקנה

השגת טווח דינמי גבוה בעיצובים ADC למחקר מדעי אינה עניין של בחירת רכיב בעל ביצועים גבוהים יחיד; זהו מאמץ ברמה מערכת המשלב מבחר אדריכלות זהירה, עיצוב חזית אנלוגי חזק, צמצום רעש, והתאמה של שלבים מדעים מתאימים יותר כדי להבין את התוצאות הבסיסיות של סחר- offs וליישם את האסטרטגיות המפורטות כאן - שימוש ברזולוציה גבוהה או ממירים, יישום אותות סטנדרטיים יותר, עם אותות מדויקים יותר, כדי ללכידת דיוקים מדויקים יותר, עם אותות מטיפים מדויקים יותר, ופתרונות מדויקים יותר, עם אותות קלים יותר, תוך כדי אימוץ של פתרונות מדויקים יותר.

לקריאה נוספת על מפרט ביצועים ADC וטכניקות עיצוב, להתייעץ עם רשימות היישום זמין מ-NIH:0Analog התקנים FLT 1 ו-FLT:2Texas InstrumentsofLT 3: IEEEFLT:4 International Symposium על מעגלים ומערכות (ISCAS)FLT:5 גם מפרסם באופן קבוע התקדמות בתחום הנתונים בקנה מידה גבוה של דינמי.