שילוב של מספרxers עם ADCs ו DACs עבור מערכות נתונים משופרות

באלקטרוניקה המודרנית, מערכות המרת נתונים משמשות גשר בין תחומים אנלוגיים ודיגיטליים.בין אם זה קורא חיישן טמפרטורה, עיבוד אות אודיו, או שליטה על נהג מנוע, איכות ויעילות של אנלוגי לדיגיטלי (ADC) ושיקולים דיגיטליים-לנאלוגיים (DAC) המרות ישירות השפעה כללית של ביצועי המערכת.

יסודות של מספרקסרים, ADCs ו DACs

מה זה מספרxer?

מספרxer (MUX) הוא מתג שילובי אשר בוחר אחד ממספר אותות קלט ומקדמת את האות שנבחר לפלט יחיד.במספרים אנלוגיים, הקלטים והפלטים הם מתחים אנלוגיים או זרמים; ברבים דיגיטליים, הם רמות לוגיקה דיגיטליות. עבור מערכות המרת נתונים, מספרxers אנלוגי הם רלוונטיים ביותר.

תפקיד ADCs

ADC ממיר מתח אנלוגי מתמשך למספר דיגיטלי דיסקרטי.מפרט מפתח כולל את ההחלטה (מספר ביטים), קצב הדגימה, ואת ליניאריות. עבור מערכות בעלות דיוק גבוה, הצלחותive-approximation לרשום (SAR) ADCs הם פופולריים כי הם מציעים פתרון טוב במהירויות בינוניות עם צריכת חשמל נמוכה.

תפקיד DACs

DAC מבצע את הפונקציה הפוכה: זה לוקח קוד דיגיטלי ומייצר מתח תפוקה אנלוגי או זרם. שוב, החלטה וסידור זמן הם קריטיים. במערכות שבו מספר תפוקה אנלוגית נדרשים (למשל, שליטה במספר ממריצים או ערוצי אודיו), DAC יחיד יכול להיות מוזג עם demultiplexer (או מתגים אנלוגיים מרובים) כדי ליצור אותות אנלוגיים עצמאיים.

כמה קידוד משפר את מערכות ה- Data Conversion

ניכוי המורכבות של חומרה ועלויות

על ידי שיתוף ADC יחיד או DAC בין ערוצים מרובים, מספר המרירים במערכת מופחת באופן דרסטי.לדוגמה, מערכת לפקח על 16 חיישנים אנלוגיים יכול להשתמש אחד 16 ערוצים מרובים להאכיל אחד גבוה ברזולוציה ADC במקום 16 יחידות ADCs. גישה זו מצמצם את אזור ה- PCB, מפחיתה את עלויות החוק, וסימולציות של עיצוב כוח לספק כאשר דיוק גבוה יותר ניתן להגדיל את הביצועים של עלויות גבוהות יותר מאשר עלות אחד.

סקלאלה וגמישות

ארכיטקטורות מרובות הן רחבות מטבען, הוספת ערוצים חדשים דורש רק להרחיב את עץ ה-Multxer (למשל, באמצעות שלבים מרובים MUX) או הוספת MUX נוסף לאוטובוס ADC קיים.בניגוד, מערכות שאינן מורכבות דורשות מתגי ADC ייעודי עבור כל ערוץ חדש, אשר עשוי להיות לא אפשרי עקב מגבלות חלל או תקציב.

מהירות רכישה וחיסכון בנתונים

במערכת ADC מרובותxed, הערוצים ממודגםים באופן שווה את שיעור הדגימה האפקטיבי לערוץ שווה את שיעור הדגימה הכולל של ADC מחולק על ידי מספר הערוצים.לדוגמה, 100 kSPS ADC מרוביםxed על פני 8 ערוצים מניב שיעור יעיל של 12.5 kSPS לערוץ.זה מספיק עבור אותות מסחריים רבים (זמן, באמצעות רוחב פס גבוה יותר, באמצעות רזולוציה של 2.

שיפור ניהול אותות ותיקון ערוץ Isolation

מספרקסרים מספקים בידוד ערוץ-ערוצי מצוין כאשר נבחרים כראוי. אותות מחוץ לערוצים מורעבים, מונעים צולב במהלך המרת הערוץ הפעיל.בנוסף, ניתן להשתמש במספרים של משתמשים כדי ליישם תוכניות הגנה: לפני המעבר לערוץ חדש, את המכפלקס ניתן להגדיר למצב בטוח ידוע.

אדריכלות: Multiplexer-ADCאינטגרציה

מספר קטן של אינסוף

הטופולוגיה הפשוטה ביותר משתמשת במספר אקססר חד-קצה להאכיל ADC יחיד מקצה-קצה כל אותות קלט מתייחסים לקרקע משותפת.זה עובד היטב כאשר כל החיישנים חולקים את אותה ההתייחסות הקרקעית ואת רמות האות הם בטווח קלט של ADC. עם זאת, לולאות קרקע ורעש משותף-מו-דה יכול לקלקל ביצועים.

מספר גדול

עבור חסינות רעש גבוהה יותר, מספרxers עם קלטות שונות ניתן להשתמש.כל ערוץ יש קלט חיובי ושלילי. ADC חייב גם להיות שונה.תצורה זו מבטלת רעש משותף-מודה והוא מעדיף יישומים תעשייתיים עם ריצות כבל ארוך.

מספרxer עם מקבל Amplifier (PGA)

לעיתים קרובות הפלט המכפליים מזין PGA לפני ADC.The PGA מאמת את האות amplitude כדי להתאים את טווח בקנה מידה מלא של ADC, שיפור טווח דינמי.הרווח ניתן לתכנת לערוץ, חיישנים מצטברים עם מתחים שונים של תפוקה.שילוב זה (MUX + PGA + ADC) זמין כפתרון יחיד-chip עבור נתונים ברזולוציה גבוהה (תקני רכישה: 1.

זמן-Division Multiplexing for DACs

בצד הפלט, DAC יחיד יכול להיות מחולק זמן בין מספר תפוקה אנלוגית על ידי שימוש מתגים אנלוגיים (דמפלקסר) DAC מעדכן את הפלט שלה למתח הרצוי לערוץ 1, אז מתג מתחבר לערוץ 1 בעוד העדכונים DAC לערוץ 2, וכן הלאה.הפלט האנלוגי חייב להיות מדגמן ו- מוחזק (או עם דגימות חיצוני או מעגלים או חסימת עם מספר מוגבל) עם מספר מוגבל של אחסון.

יישומים מעשיים

טיפול רפואי ובדיקות מטופלים

במוניטורים של מטופלים רב-פרמטר, עשרות חיישנים (ECG, SpO2, טמפרטורה, לחץ דם) חייבים להיות דיגיטציה בו זמנית לניתוח בזמן אמת.עם זאת, רוחב הפס של כל חיישן הוא נמוך (DC עד כמה מאות הרץ) מערכת ADC עם אחד ממריצים של רזולוציה גבוהה של sigma-delta יכול להתמודד עם כל הערוצים הכלכליים, לדוגמה, ADC מ-Ab מספק מספר רב של יותר מ 16x נמוך יותר מאשר ל-ix מוגבל ל-i-i-i-i-i-160 ליטרים.

אוטומציה תעשייתית וחיישנים אריות

אוטומציה במפעל דורשת לעתים קרובות ניטור של טמפרטורה, לחץ וחיישנים זרימה מתפשטים על פני צמח.מערכת איסוף נתונים מבוזרת משתמשת במספרקסרים כדי להביא אותות חיישן מקומיים רבים למרכז ADC.המספרים ניתן להציב ליד החיישנים כדי להפחית את השחייה, ואת קווי הבקרה הדיגיטלי ניתן להעביר על פני מרחקים ארוכים יותר. גישה זו נפוצה בקרים לוגיים הניתנים לתוכנה (PLC) ויחידות מסוף מרוחקות (RTUMultiOS) עבור רשומות בקרה על נתונים מורכבים: 0.

אודיו ווידאו עיבוד

בקונסולות אודיו מקצועיות, ערוצי אודיו אנלוגיים מרובים (מיקרופונים, מכשירים) מותאמים ל- ADC יחיד למיקסינג דיגיטלי, או DAC יחיד הוא demultiplexed לערוצי פלט מרובים.למרות שהילוך אודיו מודרני משתמש לעתים קרובות קודים ייעודיים לערוץ, עיצובים רגישים בעלות עבור אינטרקום או שידור עדיין להסתמך על יישומי מרובותx.

מערכות חיישן רכב

כלי רכב מודרניים מכילים מעל 100 חיישנים, החל מלחץ צמיג לטמפרטורת המנוע.כדי לשמור על עלויות ונפיחות במשקל למטה, מספריים של ADCs משמשים נרחב.לדוגמה, מודול בקרת גוף יכול לקרוא את כל מתגי הדלת ואת חיישני הטמפרטורה הפנימית דרך 12 סיביות SAR ADC עם 8- 1 MUX . DAC פלט מרוביםx משמש עבור מחוונים משתנים ואת משוב haptic.

שיקולים עבור Multiplexed Data Conversion

אותות אינטגרליות ו רעש

מספרקסרים מציגים על עמידות וכניעה שיכולה ליצור מסנני RC עם ה- ADC קלט קיבולת, הגבלת רוחב פס ולגרום ליישב שגיאות.ה-MUX חייב להתיישב בתוך זמן הרכישה של ADC. השתמש במספרקסים עם מוגבלות על-ידי עיכוב נמוך וזמני מעבר מהירים.

תזמון וסנכרון

במערכת ADC מרובותxed, בקר חייב ליצור תזמון מדויק.קווים כתובת MUX לשנות, ולאחר מכן לחכות להחלפה כדי להתיישב לפני תחילת ההמרה ADC. לאחר המרה, הערוץ הבא נבחר. במערכות סינכרוניות, רצף זה יכול להיות מטופלים על ידי מכונה מדינה או לוח זמנים DMA עבור DAC מרוביםxing, DAC חייב ליישב את הפלט האנלוגי לפני החלפת תאים חלק לאחר הפלט.

החלטות ומהירות המסחר

בדרך כלל יש תעריפים איטיים יותר של הדגימה.כאשר מרוביםxing ערוצים רבים, את הערוץ דרך צומצם ירידה באופן יחסי. עבור מערכת 16 ערוצים עם 10 kSPS ADC, כל ערוץ מקבל רק 625 625 sampling. עבור אותות עם תוכן גבוה ⁇ , כגון ניתוח רטט, זה לא מספיק. במקרים כאלה, לשקול שימוש ADCs או ערוץ מהיר יותר (ADC) עם תוכן C2 עדיין מספק עבור 1D.

כוח

מספרנים צורכים כוח רשלני, אבל ADC וכל מגברי buffer אינם.על ידי צמצום מספר ADCs, כוח המערכת הכולל ניתן להוריד. עם זאת, ADC חייב להישאר פעיל בעוד כל ערוץ הוא מדגם. עבור יישומים בעלי עוצמה נמוכה מאוד, כגון אבני חיישן, זה עשוי להיות טוב יותר להשתמש אחד ADC עם חובת אופניים: ADC למטה עם כוחות MDC למטה.

ערוץ קרוסטור והפסקת אש

גם כאשר ערוץ אינו נבחר, כמות קטנה של האות על ערוץ זה יכול להתחבר לערוץ שנבחר בשל הפיכה קיבולית בתוך MUX. זה נקרא מחיקה והוא מוגדר ב dB. עבור המדידות מדויקות, לבחור מספרקסים עם פיזור מחוץ ל- −80 dB בתדרים של עניין. בנוסף, עלייה גבוהה, תשלום מזרקת שליטה יכול ליצור כמה ממתחים בנוי.

הגנה ועומס יתר

חיישנים בסביבה קשה עשויים לייצר מתחים העולה על טווח קלט של ADC או אספקת MUX. Multiplexers בדרך כלל מדורגים עבור מתחי קלט מקסימליים (למשל, ±15 V עבור CMOS MUX סטנדרטי). אם over-voltage הוא אפשרי, clamping חיצוני או מתנגדים נוכחיים למניעה נדרשים.

נושאים מתקדמים ופתרונות היברידיים

סמרטוט סימבולי לעומת מספריים

כאשר נדרשת מדידות רגישות בשלב (למשל, מעקב אחר כוח שלוש נקודות), כל ערוץ חייב להיות מדגימה בדיוק באותו רגע.מספרי ADCs הציג באופן טבעי את משך הזמן בין ערוצים. עבור יישומים כאלה, להשתמש בו זמנית דגימת ADCs (עם מספר רב של מדגמים-and-hold מעגלים) או מספר רב של ADCs מודרניים, שילוב שבבים של איסוף נתונים, ומספר רב של מספר רב של מספר רב של פשרות, עם מספר רב של פשרות, עם מספר רב של מספר פשרות, ו-יתר של מספר רב של ערכים.

Multi-Chip דייזי-Chaining

עבור מערכות עם מספר גדול מאוד של ערוצים (למשל, 256 או יותר), כמה שלבים מרובים יכול להיות קזד. לדוגמה, MUX הראשי בוחר אחד 16 שלבים בשלב הראשון MUXs, כל אחד מהם בוחר אחד מ 16 קלטות.זה יוצר 256-to-1 עץ שליטה הופך מורכב יותר, אבל ADC נשאר קבוע לאחר מכן, כי הוא גדל זמן נוסף, כמו גם קיבול; הוא זהיר.

פילטר ו-Averaging

במערכות מרובותxed, רעש יכול להיות מופחת עוד יותר על ידי oversampling ו averaging כל ערוץ.לאחר כל הערוצים מומרים פעם, הרצף חוזר על עצמו.פילטרים נמוכים דיגיטליים ניתן ליישם על זרם הנתונים של כל ערוץ.זה יעיל במיוחד עבור אותות משתנים לאט לאט יכול לשפר את ההחלטה היעילה על ידי כמה ביטים (טכניקה נקראת לעתים קרובות "gain על ידי averaging").

תוכנה ושיקולים

יישום מערכת ADC מרובות בקושחה דורש טיפול זהיר של הפרעה ודימום נתונים. מיקרובקרים רבים נבנו - ב מצבי סריקה ADC כי באופן אוטומטי רצף באמצעות ערוצים עם תזמון חד-משמעי. עבור מערכות מהירות גבוהה, להשתמש DMA להעביר תוצאות ההמרה ישירות זיכרון ללא התערבות GP.עבור DAC. עבור מספרx, זמן רב יותר גדול DMA יכול לטעון קודים חדשים כדי לשלוט על ידי מרווחים מדויקים, בעוד הם נשלטים על ידי דפוסים.

מסקנה

(ההגדלה של מספרקסרים עם ADCs ו- DACs נותרה טכניקה בסיסית לבניית רשימות יעילות, מדרגיות ועלויות של מערכות המרת נתונים חסכוניות (הדגשה על מהימנות האות, תזמון ופתרון של עסקאות, מהנדסים יכולים לפרוס ארכיטקטורות חד-תכליתיות שמטפלים בעשרות או אפילו מאות ערוצים ללא דיוק LTx) שימוש נרחב של עיצובים בתחומים החל ממערכות רפואיות כדי לשפר את הערך האנלוגי של שימוש נוסף.