הקדמה: התפקיד הקריטי של ADCs במודרניזציה מדעית מודרנית

התגלית המדעית המודרנית תלויה ביכולת ללכוד, למדוד ולנתח תופעות פיזיות בעלות דיוק יוצא דופן.בלב של כמעט כל שרשרת של איסוף נתונים בכלי רצף גבוה היא ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) מ-FLT:0-reרזולוציה גבוהה ספקטרום ספקטרום ספקטרום ספקטרום של ספקטרום 1 בכימיה ופיסיקה לעיבוד אותות בזמן אמת בטלסקופ, ADC משמש את הניתוחים דיגיטליים ככל האפשר בין ה-corealyticscopyal Analytics.

הביצועים של ADC קובע ישירות את ה- fidelity, טווח דינמי, ובסופו של דבר את הערך המדעי של מדידה. בתחומים כגון ספקטרוסקופיה מולקולרית, ספקטרומטריה המונית, התחדשות מגנטית גרעינית (NMR), ותצפיות אסטרונומיות, היכולת לפתור הבדלים של דקות ב amplitude או תדירות הוא ראשוני.

מימון של Analog-to-Digital Conversion

[ה]ההההההתאמת של רצף, מקבילה של [[המאה ה-20]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1966]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]], [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]

שיעור הנפיחות ו Nyquist קריטריון

על פי המשפט Nyquist-Shannon sampling, שיעור הדגימה חייב להיות לפחות פעמיים המרכיב התדירות הגבוה ביותר הנוכחי בסימן כדי להימנע מliasing (קצב Nyquist) בspectroscopy, כלי שיט לעתים קרובות דורש שיעורי דגימה מכמה קילווהרץ (למשל, עבור מעברים מולקולריים איטיים) עד כמה ג'יגהארסק (מהירות לייזר).

המונחים: SNR

כמות של רעשים טעונים, כפי שדומה לשגיאה שורש-mean-square של (FLT:0) LSBFLT 1/ ⁇ 12, שבו LSB הוא המעט המשמעותי ביותר. יחס האות התיאורטי ל-noise (SNR) של ADC אידיאלי ניתן גם על ידי FLT:2SNR=.02N + 1.76 dBF3, לעומת 16B-Ab-R, אך הוא בעל השפעה מקסימלית של , עם זאת, עם זאת, הוא בעל השפעה על ידי מכשיר DI-R-R-R-A1, עם זאת, עם זאת, עם זאת, הוא בעל השפעה של NR-R-DI-DI-DI-R-R-R-R-DI-DI-R-R-R-DI-R-R-R-DI-R-R-R-R-DI-DI-DI-R-DI-DI-DI-DI-DI-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-DI-DI-DI-DI-D

ראשי תיבות של Key Performance Parameters for Scientific ADCs

מעבר לרזולוציה וקצב הדגימה, כמה מדדים אחרים מגדירים את התאמתו של ADC ליישומים מדעיים מתקדמים:

  • (FLT:0) דינמיקה חופשית ללא תשלום (SFDR): 1 יחס האות הבסיסית amplitude לרכיב הגדול ביותר בתחום התדר. SFDR גבוה חיוני לגילוי קווים ספקטרליים חלשים ליד שיאים חזקים.
  • (FLT:0) עיוות הרמוני לחלוטין (THD): ההרחבה 1 (ThD) מודדת את הסכום של כל עיוותים הרמוניים ביחס ליסוד.נמוך THD הוא קריטי בפרופיל גבוה של ארבעייה-טרנספורמולציה.
  • (FLT:0) אי-לינאריות (DNLir): שינוי רוחב צעד בין רמות הקוונטיות הסמוכות. DNL גבוה עלול לגרום לקודים חסרים והתנהגות לא-מונוטונית, משחית אותות נמוכים ברמת דיוק.
  • (ב) ⁇ :0) אי-לינאריות (INLura): 1 Deviation של הפונקציה העברה משורה ישר. in spectroscopy, INL יכול להציג שגיאות שיטתיות בגל אורכי גל / הדגד קלברציה.
  • מספר קטן של ביטים (ENOBIR) 1:1 ההחלטה האמיתית שהושגה בתנאים של עולם אמת, חשבונאות לרעש ועיוות.

ריבוע דינמי ו- Noise Floor

בספקטרום גבוה של ספקטרוסקופיה, היכולת ללכוד אותות חזקים וחלשים ללא עיוות נשלט על ידי טווח דינמי של ADC.זה לעתים קרובות מבטא יחס של האות המרבי מזוהה לקומה הרעש. לדוגמה, ב-Raman spectroscopy, שבו השיא החזק ביותר (קו לייזר) עשוי להיות חזק פי 106 מהדרקון המולקולרי החלש ביותר, טווח דינמי של 120B או דינמי נדרש יותר על פני רוחב פס דיגיטלי.

ADC אדריכלות בשימוש ב-Instrumentation

יישומים מדעיים שונים דורשים שינויים שונים בין מהירות, פתרון, כוח, ועלויות.האדריכלות הבאות הן הנפוצות ביותר במכשור מקצה גבוה.

נספח-Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs מציעים איזון טוב של החלטה (עד 18-20 ביטים) ומהירות מתונה (עד עשרות מגה-מפרס לשנייה) הם בשימוש נרחב במערכות איסוף נתונים עבור NMR, ספקטרומטריה המונית, ומיקרוסקופי כוח אטומי בגלל הליניאנסיות המעולה שלהם וצריכת חשמל נמוכה יחסית.

Sigma-Delta ( ⁇ ) ADCs

⁇ ADCs להשיג מאוד גבוה החלטה (24 ביטים ומעבר) באמצעות עיצוב יתר ורעש.הם הטכנולוגיה של בחירה עבור נמוך ⁇ , מדידות גבוהה ספקטרוסקופיה כימית, ניטור סביבתי, גלי גלאי כבידה. הם הטכנולוגיה של בחירה עבור רוחב פס מופחת; ממירים בדרך כלל פועלים בשיעורי דגימה מתחת ל- MQ לאחרונה התקדמות בגלות קבועות של ספקטרום קבוע, יש כמה רחב של יישומים מתקדמים ל- רוחב פסים שלהם.

המונחים: ADCs

צינורות ADCs משלבים שלבים רבים ברזולוציה נמוכה כדי להשיג שיעורי המרה גבוהים (hundreds של מגה-samples לשנייה) עם החלטה מתונה (12-16 סיביות) הם משמשים בדרך כלל ב oscilloscopes דיגיטליות, מקלטים מכ"ם, וזמני-resolved spectroscopy מערכות (למשל, ניסויים משאבה).

זמן קצר: ADCs

עבור הדמיה אולטרה-ארוחתת-ארוחתת (למשל, הדמיה בזמן אמת terahertz, אופטי- ⁇ combs), ADC יחיד עשוי לא מדגם מהיר מספיק.-Time-interleaving משתמשת במספר ADCs הפועלים במקביל, כל דגימה בשלב שונה של שעון המערכת.הקצב המצטבר יכול להגיע עשרות ג'יגה-אסים לשנייה, כמו גם במקרים רבים, כדי לתקן את התזמון, בין אלגוריתמים זה חייב להיות זהיר על ידי אלגוריתמים.

יישומים ב- High-Resolution Spectroscopy

ADCs אפשרו רגישות ופתרון פורצי דרך במגוון רחב של טכניקות ספקטרוסקופיות.

אופטי ו- Molecular Spectroscopy

בספקטרום פיזור (למשל, Czerny-Turner עיצובים), הפלט ממערך photodetector (CCD או CMOS) הוא מרובותxed ודיגיטלי על ידי ADCs נמוך. The Fspecomspecm:0resolutionFLT:1 של הספקטרום - היכולת להפריד בין ספיגת חלל או פליטות - תלוי רק על גבי נפח CDCspertects1, אבל משיגה גבוהה יותר מ-APTN) עם ביצועים רזולוציה של 4 רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של ADC (RD) רזולוציה של רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה גבוהה יותר של 4 רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה של 4 FT1 של רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה גבוהה יותר של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה של רזולוציה גבוהה יותר של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה גבוהה יותר של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של רזולוציה של

המונחים Spectrometry

בזמן-of- Flight (TOF) ספקטרום המוני, צניחות מואצים וזמני ההגעה שלהם בגלאי נמדדים עם דיוק גבוה מאוד.זרם הגלאי בדרך כלל מומר למתח ודיגיטלי על ידי ADC מהיר (לעתים קרובות 1-10 GS /s) עם 8-12 סיביות של החלטה.

חידוש מגנטי גרעיני (NMR) ו-MRI

NMR spectrometers דורש ADCs עם טווח דינמי גבוה מאוד כדי ללכוד את האיתון חינם (FID) אות, אשר יכול לעבור ממיקרו וולט למספר תנודתיים על תקופת הרכישה. מקלטי NMR מודרניים משתמשים oversampled ⁇ ADCs או ארכיטקטורות דואליות על איכות כפולה כי משלבת נתיב גבוה עבור אותות חלשים ו נתיב נמוך יותר לפתרון עבור אותות חזקים 24 ביעילות, 000 דינמיקה ישירה, 000 דינמיקה לאחור של דינמיקה של ⁇ ⁇ דינמית (I) עם תכונות ישירות של דינמית של דינמית על ידי SAR-מחדשה של SAR-מחדשה של SAR-מחדשה של SAR-מחדשה 1C ישירות על ידי SAR-מחדש של מערכות הדמיה ישירה של ⁇ ⁇ SAR-מחדשהספקית אבטחה גבוהה עם ⁇ SAR-מחדש של מערכות הדמיה ישירה של SAR-מחדשה 1C ישירות עם ⁇ ⁇ ⁇ SAR-מחדשנית עם SAR-מחדשה של מערכות הדמיה ישירה של איכות גבוהה עבור מערכות הדמיה ישירה של מערכות הדמיה ישירה של SAR-מחדשה 1C ישירות על ידי SAR-מחדשהספקטבייטבייטב

אסטרונומיה ואסטרונומיה

שרשרת המקלט של טלסקופ רדיו מדגמנת את אות הרדיו הנכנס לאחר הדגימה ומיקסינג. רוחב הפס המיידי הנדרש יכול להיות מאות מגההרץ, ואת האות עשוי להכיל גם קרינה רקע גלקטי חזק וקווים ספקטרליים חלשים מאוד ממולקולות מרוחקות. ADCs המשמש בטלסקופים כגון Atacama Largemeter /subi Ar (AL) להשתמש בתכונות דיגיטליות מתוחכמות מאוד (DRic) כדי למנוע שימוש ב-DLCDLCDSPTSST) באופן חריג ב-DS רגיל ב-DLCDLCDS.

אתגרים וסחר-offs in ADC Implementation

תכנון ADC עבור ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה כרוך איזון מספר דרישות סותרות:

  • (FLT:0Speed לעומת החלטה: 1FLT) כל עוד מעט של רזולוציה מכפיל בערך את דרישות הרעש, הגדלת זמן ההתנחלות או דרישה לשיפוץ יתר המפחית את התפוקה.
  • (FLT:0) טווח דינמי לעומת כוח: פאוור: ראט' 1 , טווח דינמי גבוה ורעש נמוך לעתים קרובות דורשים זרמים הטיה גבוהה ועיגולים אנלוגיים מתוחכמות, המוביל לפיזור כוח משמעותי - הסתברות עבור מכשירים ניידים או מבוכים.
  • (FLT:0) שקיפות לעומת טמפרטורות יציבות: ההרחבה 1 (Precision אנלוגית מרכיבים מציגים סחף תלוי טמפרטורה.במדידות ארוכות טווח (למשל, תצפיות אסטרונומיות לאורך שעות), ה-ADC של INL ורווח חייב להישאר יציב.
  • (FLT:0)Jitterty:Eperture Unquity:cioFLT:1) עבור אותות קידוד גבוה (למשל, בספקטרום לייזר מהיר), ג'ייטר יכול לזלזל SNR.הג'ר הצמצם של ADC חייב להיות נשמר היטב מתחת לאין הזמן המקביל המתאים ל-LSB אחד.

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

הדרישות של מכשירים מדעיים של הדור הבא ממשיכות להניע חדשנות ADC.כמה מגמות מבטיחות מעצבות מחדש את הנוף.

המונחים:Chip Digital Calibration

תהליכי CMOS מתקדמים מאפשרים הכללה של לוגיקה לתיקון דיגיטלי באותו מוות כמו הליבה האנלוגית.אלגוריסים שמתאימים לרווח, להתחלה ול ליניאריות בזמן אמת יכולים לשפר את ה-ENOB ב-2-3 ביטים מבלי לדרוש מרכיבים חיצוניים. גישה זו מאומצת ב- SAR ו-ADCs המשמשות בדיגיטליים מחברות כגון LT:0TixekuaFIR2: 3Fsight ו-FIRD2: 1FIRD2: 1FIRD2: 1FIRD2: LT2FIRCERR2: LT2FIRCERR: LT2: LT2FIRSTR: LT2: LT2: LT2FIRCERR1FIRSTFIRSTFIRDERR: LT2FIRSTFIRSTFIRSTFIRSTFIRSTR: LT2: LT2: LT2FIRSTFIRSTRIRSTR: LT2FIRSTFIRSTFIRSTR: LT2: LT2FIRSTFIRSTFIRST LT2: LT2:

צילום: ADCs

כדי להתגבר על מגבלות המהירות של ADCs אלקטרוניים טהור, שיטות אופטיות נחקרות. Photonic ADCs להשתמש לייזרים מכווננים מודים כדי דגימות אותות בתחום אופטי לפני המרתם לדיגיטל.

עיבוד נתונים של Machine-Learning-Enhanced ADC

גם עם מיטב ADC, רעש חיתי ואי-לינאריות יכולים להגביל את האיכות ספקטרלית.מודלים למידה עמוקה משמשים יותר ויותר ל- post-מעבד נתונים דיגיטליים, זיהוי ותיקון שגיאות שיטתיות.לדוגמה, רשתות עצביות אבולוציה יכולות להיות מאומן להסיר סחף בסיסי ופעולות של דחיית כלי-תגובה, שיפור ביעילות יחס אות-לא-לא-אין מעבר למה ש-ADC מספק לבדו.

אינטגרציה ישירה ושילוב בין-פוליטי מעורב

⁇ מערכות ספקטרום מודרני משלבות כעת את ADC ישירות בפלט הגלאי, עקף את שרשרת המקלט האנלוגי לחלוטין.גישה "מדנכית עקיף" מבטלת רעש אנלוגי ונסחף מעיגולי התניה.ב X-ray, למשל, pixel-level ADCs משולבים עם גלאיים המאפשרים לקרוא במקביל אלפי פיקסלים עם זמן לא זניח כמו סיליקון-FDCRDp.

בחירת ה-ADC הנכון עבור חקירה מדעית

מהנדסים וחוקרים חייבים להעריך מספר גורמים בעת בחירת ADC עבור כלי חדש:

  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) שיעור ה-FLT:0) , ביחס לשיעור Nyquist וכל יחס oversampling מתוכנן.
  • (ב) צריכת חשמל ותקציב תרמיל 1 (FLT) במיוחד עבור מכשירים הפועלים בוואקום או בטמפרטורות מבוכות.
  • (ב) ,0) מספר הערוצים של שורת 1 (ב) וכדאיות של מערך זמן או מקבילה.
  • (FLT:0) אינטנסיונות של כוח עליון 1: סובלנות קרינה לספקטרום מבוסס חלל, ניתוח בטמפרטורה נמוכה עבור חיישנים מורכבים, וכו '.
  • (ב) ,0 פרוטוקולים בין-פניים (SPI, LVDS, JESD204B) והתאמה עם מטה הזרם FPGAs או DSPs.

הספקים המובילים של ADCs ביצועים גבוהים עבור יישומים מדעיים כוללים:0 (Analog מכשירים IntegratedFLT:1, FLT:2Texas InstrumentsFLT 3, ו-FLT:4 מקסים IntegratedFLT:5, אשר כולם מציעים רשימות יישום מפורטות עבור ספקטרוסקופיה ומכשירים.

מסקנה

ממירים אנליגנו-ל-דיגיטליים נשארים טכנולוגיה בסיסית בספקטרום גבוה של ספקטרוסקופיה ומכשור מדעי. Advances in resolution, מהירות, לינאריות ואינטגרציה אפשרו מכשירים שיכולים לזהות פוטונים בודדים, לפתור יחסים איזוטופיים בספקטרום המוני, ולתפוס את הספקטרום מהאובייקטים המרוחקים ביותר ביקום.