Integrazione di Multiplexers con ADC e DAC per sistemi di conversione dati migliorati

In elettronica moderna, i sistemi di conversione dei dati servono come ponte tra i domini analogici e digitali. Se sta leggendo un sensore di temperatura, elaborando un segnale audio, o controllando un driver del motore, la qualità e l'efficienza di analogico-digitale (ADC) e le conversioni digitali-analitiche (DAC) influenzano direttamente le prestazioni del sistema generale.

Fondamenti di Multiplexers, ADC e DAC

Cos'è un Multiplexer?

Un multisala (MUX) è un commutatore combinato che seleziona uno dei diversi segnali di ingresso e inoltra il segnale selezionato a un'unica uscita. In multiplexers analogici, gli ingressi e le uscite sono tensioni o correnti analogiche; in multiplexers digitali, sono livelli di logica digitale. Per i sistemi di conversione dati, i multiplexer analogici sono più rilevanti.

Ruolo degli ADC

Le specifiche chiave includono la risoluzione (numero di bit), la frequenza di campionamento e la linearità. Per i sistemi ad alta precisione, il registro di approssimazione (SAR) gli ADC sono popolari perché offrono una buona risoluzione a velocità moderate con un basso consumo di energia.

Ruolo dei DAC

Un DAC esegue la funzione inversa: richiede un codice digitale e produce una tensione o una corrente analogica. Ancora una volta, la risoluzione e il tempo di impostazione sono critici. Nei sistemi in cui sono richieste più uscite analogiche (ad esempio, il controllo di diversi attuatori o canali audio), un singolo DAC può essere abbinato a un demultiplexer (o a più switch analogici) per generare segnali analogici indipendenti.

Come Multiplexing migliora i sistemi di conversione dei dati

Riduzione della complessità e dei costi hardware

Condivisione di un singolo ADC o DAC tra più canali, il numero di convertitori in un sistema è drasticamente ridotto. Ad esempio, un sistema che monitora 16 sensori analogici può utilizzare un multisala da 16 canali alimentando un ADC ad alta risoluzione invece di 16 ADC individuali. Questo approccio minimizza l'area PCB, riduce i costi di fatturazione e semplifica il design dell'alimentazione elettrica.

Scalabilità e flessibilità

L'aggiunta di nuovi canali richiede solo l'espansione dell'albero multixer (ad esempio, utilizzando più stadi MUX) o l'aggiunta di un altro MUX a un bus ADC esistente.

Velocità di acquisizione dati e di campionamento sequenziale

In un sistema ADC multiplo, i canali vengono campionati in modo sequenziale. La frequenza di campionamento effettiva per canale è uguale al tasso di campionamento totale dell'ADC diviso dal numero di canali. Ad esempio, un 100 kSPS ADC multisala su 8 canali produce un tasso efficace di 12,5 kSPS per canale.

Gestione dei segnali migliorata e isolamento dei canali

I multiplexers offrono un'eccellente isolamento canale-canale quando vengono selezionati correttamente. I segnali off-channel vengono attenuati, impedendo la crosstalk durante la conversione del canale attivo. Inoltre, i multiplexers possono essere utilizzati per implementare i sistemi di protezione: prima di passare a un nuovo canale, il multiplexer può essere impostato a uno stato sicuro noto.

Architettura per l'integrazione di Multiplexer-ADC

Multiplaxing a singolo ingresso

La topologia più semplice utilizza un multisala single-ended che alimenta un ADC single-ended. Tutti i segnali di ingresso sono riferiti a un terreno comune. Questo funziona bene quando tutti i sensori condividono lo stesso riferimento di terra e i livelli di segnale sono all'interno della gamma di input dell'ADC. Tuttavia, i loop di terra e il rumore comune-mode possono degradare le prestazioni.

Multiplexing differenziale

Per una maggiore immunità al rumore, possono essere utilizzati multiplexers con ingressi differenziali. Ogni canale ha un ingresso positivo e negativo. L'ADC deve anche essere differenziale. Questa configurazione annulla il rumore comune-mode ed è preferito nelle applicazioni industriali con lunghe piste di cavi.

Multisala con Amplificatore di Gain programmabile (PGA)

Spesso l'uscita multixer alimenta un PGA prima dell'ADC. Il PGA regola l'ampiezza del segnale per abbinare la gamma completa di ADC, migliorando la gamma dinamica. Il guadagno può essere programmato per canale, accomunati sensori con tensioni di uscita molto diverse. Questa combinazione (MUX + PGA + ADC) è disponibile come soluzione di acquisizione singolo per l'acquisizione di dati ad alta risoluzione ([ALT:0]

Time-Division Multiplexing per DAC

Sul lato di uscita, un singolo DAC può essere condiviso tra più uscite analogiche utilizzando switch analogici (un demultiplexer). Il DAC aggiorna la sua uscita alla tensione desiderata per il canale 1, quindi l'interruttore si collega al canale 1 mentre il DAC aggiorna il canale 2, e così via. Le uscite analogiche devono essere campionate e tenute (sia con circuiti esterni di campionamento e di aggancio per canale di aggiornamento costante)

Applicazioni pratiche

Imaging medico e monitoraggio paziente

Nei monitor multiparametri, decine di sensori (ECG, SpO2, temperatura, pressione sanguigna) devono essere digitalizzati simultaneamente per l'analisi in tempo reale. Tuttavia, la larghezza di banda di ogni sensore è bassa (DC a poche centinaia di Hz). Un sistema ADC multisala con un convertitore di sigma-delta ad alta risoluzione può gestire tutti i canali economicamente.

Automazione e sensori industriali

L'automazione industriale richiede spesso il monitoraggio di molti sensori di temperatura, pressione e flusso sparsi su uno stabilimento. Un sistema di acquisizione dati distribuito utilizza multiplexers per portare più segnali di sensori locali a un ADC centrale. Il multixer può essere posizionato vicino ai sensori per ridurre il cablaggio, e le linee di controllo digitali possono essere trasmesse su distanze più lunghe. Questo approccio è comune nell'acquisizione di controllo di logica programmabile (PLC) e unità terminali remote (RTU).

Lavorazione audio e video

Nelle console di miscelazione audio professionali, più canali audio analogici (microfoni, strumenti) sono indirizzati a un singolo ADC per la miscelazione digitale, o un singolo DAC è demultiplexed a più canali di uscita. Anche se l'ingranaggio audio moderno spesso utilizza codec dedicati per canale, i disegni sensibili ai costi per gli interfoni o la trasmissione possono ancora contare su multiplexing.

Sistemi di sensori automobilistici

Per mantenere il peso dei costi e dei cablaggi, gli ADC multisala sono ampiamente utilizzati. Ad esempio, un modulo di controllo del corpo può leggere tutti gli interruttori delle porte e i sensori di temperatura interni attraverso un ADC SAR a 12 bit con un multisala da 8 a 1 MUX.

Considerazioni di progettazione per la conversione di dati multiplexed

Integrità e rumore del segnale

Multiplexers introduce on-resistance e capacità che possono formare filtri RC con la capacità di ingresso ADC, limitando la larghezza di banda e causando errori di impostazione. Il MUX deve stabilirsi all'interno del tempo di acquisizione ADC.

Sincronizzazione e sincronizzazione

In un sistema ADC multisala, il controller deve generare tempi di sequenza precisi. Le linee di indirizzo MUX cambiano, quindi attendere che l'interruttore si stabilisca prima di iniziare la conversione ADC. Dopo la conversione, viene selezionato il canale successivo. Nei sistemi sincroni, questa sequenza può essere gestita da una macchina di stato o da un DMA timer-triggered. Per il multisala di uscita DAC, l'uscita DAC deve stabilirsi prima che l'interruttore analogico cambi l'uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di direzione di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di direzione di uscita di uscita di uscita di direzione di uscita di uscita di direzione di uscita di uscita di uscita di direzione di uscita di direzione di direzione di direzione di direzione di direzione di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di direzione di direzione di uscita di uscita di direzione di direzione di uscita di uscita di direzione di direzione di direzione di direzione di uscita di uscita di uscita di direzione di direzione di direzione di direzione di direzione di direzione di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di direzione di direzione di direzione di direzione di uscita di uscita di direzione

Risoluzione e velocità di scambio

Quando il multisalamento di molti canali, il throughput per canale diminuisce proporzionalmente. Per un sistema a 16 canali con un ADC 10 kSPS, ogni canale ottiene solo 625 Hz di campionamento. Per i segnali con contenuti ad alta frequenza, come l'analisi delle vibrazioni, questo è insufficiente. In tali casi, si consideri l'utilizzo di più ADC o di un più veloce canale ADC (ad esempio, un

Consumo di energia

Con la riduzione del numero di ADC, la potenza totale del sistema può essere abbassata. Tuttavia, l'ADC deve rimanere attivo mentre qualsiasi canale viene campionato. Per applicazioni molto basse, come i nodi sensore IoT, può essere meglio usare un singolo ADC con il ciclo di dovere: i poteri ADC giù tra le conversioni e il canale di terra MUX idle.

Canale di crosstalk e Off-Isolation

Anche quando un canale non viene selezionato, una piccola quantità di segnale su quel canale può accoppiarsi nel canale selezionato a causa di un accoppiamento capitivo all'interno del MUX. Questo viene chiamato off-isolation ed è specificato in dB. Per misurazioni accurate, scegliere multiplexers con off-isolation meglio di −80 dB alle frequenze di segnale di interesse. Inoltre, a velocità di commutazione elevate, l'iniezione carica dai cancelli di controllo può creare offset di tensione.

Protezione e manipolazione del sovratensione

I sensori in ambienti difficili possono produrre tensioni che superano l’intervallo di ingresso dell’ADC o l’alimentazione del MUX. I multiplexers sono generalmente valutati per la massima tensione di ingresso (ad esempio, ± 15 V per un CMOS MUX standard). Se è possibile sovratensione, sono necessari diodi di bloccaggio esterni o resistenze di limitazione della corrente.

Argomenti e soluzioni ibride avanzate

Sampling simultaneo vs. Sampling multiplo

Quando sono necessarie misurazioni sensibili alla fase (ad esempio, monitoraggio della potenza trifase), ogni canale deve essere campionato esattamente allo stesso istante. ADC multisala intrinsecamente introducono il tempo tra i canali. Per tali applicazioni, utilizzare ADC di campionamento simultaneo (con circuiti multipli e di supporto) o ADC multipli.

Multi-chip Daisy-Chaining

Per sistemi con un numero molto elevato di canali (ad esempio, 256 o più), possono essere ceste diverse fasi multiplexer. Ad esempio, un MUX principale seleziona uno dei 16 MUX di prima fase, ognuno dei quali seleziona uno dei 16 ingressi. Questo crea un albero MUX a 256‐1. La logica di controllo diventa più complessa, ma l'ADC rimane single. Il tempo di configurazione aumenta a causa di ulteriori complicazioni.

Filtro digitale e Averaging

Dopo che tutti i canali sono stati convertiti una volta, la sequenza ripete. I filtri digitali di passaggio basso possono essere applicati al flusso di dati di ogni canale. Questo è particolarmente efficace per i segnali lentamente variabili e può migliorare la risoluzione efficace da diversi bit (la tecnica è spesso chiamata “guadagnando”).

Considerazioni software e firmware

Molti microcontroller hanno modalità di scansione ADC integrate che si sequenziano automaticamente attraverso canali con tempi di configurazione.Per sistemi ad alta velocità, utilizzare DMA per trasferire i risultati di conversione direttamente alla memoria senza intervento della CPU. Per il multisala di uscita DAC, un DMA timer-triggered può caricare nuovi codici al DAC a intervalli precisi, mentre il modello di uscita GP separato è

Conclusioni

L’integrazione di multiplexers con ADC e DAC rimane una tecnica fondamentale per la costruzione di sistemi di conversione dati efficienti, scalabili e convenienti.