Giriş: DSP Sistemlerindeki ADC'nin Eleştirel Rolü

Analog-to-Dijital Converter (ADC) sürekli analog dünya ve ayrı bir dijital alan arasında ön kapı olarak hizmet eder ve ADC'nin gürültüyü, sinyali, limit dinamik aralıkları veya şişenle etkileşimini sağlayan her DSP projesini seçebilir.

Doğru ADC'yi seçmek, tek boyutlu bir uygulama değildir. Karar, kararın, çözünürlük, hız, güç, maliyet ve arayüz uyumluluğu arasında ticaret yapma zorunluluğunu içerir. Bu makale, ADC özelliklerini değerlendirmek için yapılandırılmış bir yaklaşım sunar, farklı dönüştürücü mimarileri anlamak ve dönüştürücüyü sonuna kadar, ortak pitoratörlerden kaçınan bir seçim yapmak için net bir çerçeveye sahip olacaksınız.

ADC Performansı Tanımlayan Anahtar Özellikler

Orijinal liste, örnekleme oranı, giriş gerilimi aralığı, güç tüketimi ve arayüz türü, bu parametrelerin daha derin bir anlayışla - birkaç ek kritik ölçümle birlikte - profesyonel bir seçim için temel.

Bits (ENOB) Çözümü ve Etkili Sayıları (ENOB)

Karar, birazda belirtildiği gibi, ADC'nin hesaplanması gereken bazı ayrımları belirler: 16-bit dönüştürücü 2)16) = 65,536 adım. Ancak, veri tablosundaki karar her zaman en gerçekçi bir ölçümdür, çünkü sinyalin doğrusal olmayan oranı ve bozulmasın (SINAD) ve gerçekleştirilmiş geçişlerin sayısı 16-bit frekansların sayısı (ENOB)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[değiştir | kaynağı değiştirilişlemler için daha gerçekçi bir ölçüm.

Sampling Rate ve Nyquist Criterion

Örnekleme oranı (veya örnek oranı) ikinci başına dönüşümlerin sayısıdır. Bir sinyal inşa etmek için Nyquist-Shannon theorem, örnekleme oranının girişte en az iki kat daha yüksek frekans bileşeni olması gerektiğini belirtir.In practice, 2.5 ila 4 faktör, anti-aptansing filtre gereksinimlerini rahatlatmak ve indüktör gürültü katlamaktan önce azaltmak için yaygındır.For oversampling applications – birçok DSP sisteminde - Delta-Sigma ADC birçok kez çalışır, Nyquist oranı daha yüksek çözünürlük için ticaret hızına sahip olabilir.

Giriş gerilim aralıkları ve Full-Scale Matching

ADC'nin giriş aralığı, ölçüm olmadan dönüştürülebilecek maksimum analog gerilimi tanımlar. Bu aralığı sensör veya sinyal kaynağınız maksimum dinamik aralığı için hayati önem taşıyor.Eğer çok büyükse, klibi ve demleme. sık sık sık ADC'nin sinyalini ayarlamak için kullanılır.

Güç tüketimi ve Sistem Verimliliği

Bataryada veya ısıtılmış tasarımlarda, güç tüketimi seçim sürecine hükmedebilir. Yüksek hızlı Flash ADCs, düşük güç verimliliğine sahipken, düşük güç değeri genellikle mikrowatt aralığında çalışabilir.) Modern ADCs genellikle tüketim oranını azaltır.(FOMize) Normal hıza doğru olan gücü kontrol eder.

Interface Type and Data Throughput

Dijital arayüz, DSP'nin sabit seçeneklerine nasıl dönüştüğünü belirler: 0 )SPI[DDDÜDÜSTR][/FONT=DNT=DPS][/FONT=D=DPS))Yüksek hızlı dönüştürücüler için kullanılan yüksek hız dönüştürücüler için (örneğin, DSP'lerin serisel arayüzleri ile uyumlu olmalıdır.

Ek Eleştirel Metrikler

  • [FONT:0)Signal-to-Noise Oranı (SNR): [DFLT:1), sinyal seviyesine göre gürültü miktarını gösterir. Yüksek SNR (in dB) düşük doz uygulamalar için daha iyidir.
  • [FONT=0) Total Harmonic Distortion (THD): ), ADC tarafından tanıtıldı. EDC ve hassas ölçümde kullanılan bir deyim.
  • [FONT:0]Spurious-Free Dynamic Range (SFDR): ), temel sinyal ve en büyük uyarı arasındaki fark; iletişim ve spektral analizde önemli.
  • [FONT=0)Input Band genişlik:[Dönetici:[Dönetici:0) Ana Sayfaya girişin küçük imzalı bant genişliği. amplifikasyon rulo ve faz geçişinden kaçınmak için maksimum sinyal frekansı aşıyor.

ADC Architectures ve onların DSP'deki rolleri

Farklı iç mimarlıklar farklı uygulama alanlarında öne çıkıyor. Güçlülerini ve zayıflıklarını anlamak seçiminize rehberlik edecek.

Başarılı Approximation Register (SAR) ADC

SAR ADCs birçok DSP tasarımlarına karşı iş arkadaşlarıdır. iyi bir karar dengesi sunar (18 bits) hız (birkaç MSPS'ye kadar), ve düşük güç tüketimi.In, ikili arama algoritması DAC çıktısına karşı giriş gerilimi karşılaştırır. SAR dönüştürücüler, yüksek çözünürlükte (örneğin, birkaç tane otomatik olarak) ve yüksek çözünürlükte bulunan birçok otomatik otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatikleştirilmiş olan otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatikleştirilmiş olan sistemlere sahip değildir.

DeltaSigma ( ⁇ ) ADC

DeltaSigma dönüştürücüleri, son derece yüksek çözünürlük elde etmek için aşırı gürültü ve gürültüyü kullanır (16-24 bit veya daha fazla) yavaş dönüşüm oranlarının maliyetine sahiptir.İç modüller birçok kez çıktı örnek oranı ve dijital bir decimasyon filtresi ortadan kaldırırlar.(örneğin, ECG, EEG), bu ADCs için geçerli olan aşağıdakiler geçerlidir.

Flash (Parallel) ADC

Flash ADCs en hızlı mimaridir, bir hesap döngüsünde termometrik kod üretmek için bir bankacı kullanmak.Geçmişler genellikle 8 bit ile sınırlı. son derece yüksek enerji tüketimi ve büyük ölüm boyutu, ultrabgiriciler, <>radar sistemleri ve <>

Boru Hattı ADC

Boru hatları ADCs, yüksek devir ve orta çözünürlük için geç kalmış (10-16 bit) hızlarda birkaç yüz MSPS'ye kadar, sinyal örneği ile işlem yapan birkaç basamaktan oluşur. Boru dönüştürücüler, onları Flash ve yüksek çözünürlük arasında iyi bir uzlaşma sunarlar.).

Bütünleme (Dual-Slope) ADC

Bu ADCs, sabit bir süre için giriş sinyalini entegre eder, sonra bilinen bir hızda deşarj ederler. (özellikle de çizgi frekanslarında) ancak çok yavaştır -tip olarak kullanılabilir.(QUD:0) Sayısal multimetreler).

ADC'yi DSP Uygulama Domainine Eşleştirme

Farklı DSP uygulamaları ADC'de eşsiz talepler getiriyor. Aşağıdaki kılavuzlar aramanızı daraltmanıza yardımcı oluyor.

Audio Signal Processing (24-bit ⁇ veya yüksek çözünürlüklü SAR)

Ses kodları için konsolları karıştırın veya konuşma işleme, genellikle 16-24 bit çözünürlüke ihtiyacınız var, 44.1-192 kSPS, düşük THD+N (<-90 dB), ve 20 kHz. Delta-Sigma ADCs'ye doğru bir yanıt standarttır.

Industrial Otomasyon ve Sensör Fusion Fusion (12-16 bit SAR)

Durum izleme, sıcaklık algılaması ve basınç ölçümleri genellikle orta hız gerektirir (10 kSPS-1 MSPS) ve 12-16 bit çözünürlük. SAR ADCs burada düşük güç, düşük gecikmeli sensör girişleri nedeniyle öne çıkar. Entegre analog ön uçları (PGAs ve gerilim referansları) ile parçalara bakın.

Tıbbi Görüntüleme ve Vital İşaretleri Takip (16-24 bit ⁇ )

Hassasiyet önemlidir. Elektrocardiogramlar (ECGs), naif oximeters ve MRG alıcıları çok yüksek çözünürlük talep ediyor (18-24 bit) ve son derece düşük gürültü, genellikle düşük örnek oranlarında (500 SPS-10 kSPS). Delta-Sigma ADCs, güç tüketimi de kritiktir, bu yüzden uyku modları ve düşük quiescent akımları ile cihazlar seçin.

İletişim ve Yazılım Savunmalı Radyo (Pipeline / Flash)

Temel bant veya radyolar için örnekleme, yüksek dinamik aralığına ihtiyacınız var (SFDR > 80 dB) ve geniş bant ADCs ile 12-16 bit ve örnekleme oranları 25-250 MSPS yaygındır. Doğrudan RF örnekleme için, Flash veya zaman-intereard Boru ADCs 8-12 bitleri ile.

Güç ve Enerji İzleme (Yüksek doğrulukla Antart veya SAR)

Akıllı metre ve güneş dönüştürücüleri için, yüksek sıcaklık ve düşük sürüklenmeler önemlidir. Delta-Sigma ADCs inşa edilmiş müşc dönüştürücüler mükemmel izolasyon ve gürültü performansı sunar. polifaz metresi için, birden çok örnekleme kanalları ile cihazlar arayın.

Pratik Seçim Yöntemioloji

DSP projeniz için bir ADC seçmek için bu sistematik süreci takip edin.

  1. [FONT=0) Signal Özelliklerini Tanımlayın:[Dönder:[Dönder) Maksimum sinyal frekansı (grup genişliği), beklenen amplif aralığı ve istenen dinamik aralığı. Ayrıca, sinyalin tek uçlu veya diferansiyel olup olmadığını unutmayın.
  2. [FONT=0)İsveçsiz: [DÜDÜT:1) En az örnek oranı hesaplayın: [FONTT:2}F|0|x B[FLT: 5 ), gerçek dünya filtrelemesi için en yüksek sinyal frekansıdır.
  3. [FONT=0]Set Karar Gereksinimleri:[Dönetici: [Dönetici:0] [FONT=FONT=0) ⁇ 6.02 × N + 1.76[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSTÜSİAD) [DÜŞÜNÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜye Olmayanlar İçin ADC)
  4. [FONT:0) ADC Mimarlıkını Seçin: [Döne: [Döneme, çözünürlük ve güç ticaretleri, en iyi uyum sağlayan mimariyi seç (Section 3).
  5. [FONT:0) Analog Front-Bitişini Yap: Giriş gerilimi aralığı sinyalini yerine getir. ADC önünde anti-aliasing filtre ekledik. Basit bir RC veya aktif filtre gerekli olabilir.
  6. DSPT:0)Check Interface Compatability:[DFLT:1) Sizin DSP veya mikrokontrolörünüz ADC'nin dijital arayüzü (SPI, paralel, LVDS, JESD204B) gerekli hızda destekleyebilir. DSP'nin beklenen kesme veya DMA yüklerini idare edebileceğini onaylayın.
  7. [FONT:0)Power ve Termal Constraints:[Dönetici: 0,8|Dönetici hesaplarını hesaplayın ve sistem bütçesine uygun olmasını sağlayın.For Battery-işletilmiş tasarımları, Principlese ADCs with power-scaling or standby modları.
  8. [FONT:0]Review Datasheet Properties Closely:[Dönetici:[Dönetici: 0) ENOB vs. giriş frekansına bak, THD vs. amplitüd ve SNR vs. sıcaklık. sadece tipik değerlere güvenmeyin; çalışma aralığı üzerinde min/max sınırları kontrol edin.

ADC'yi Seçen Ortak Hatalar

Deneyimli mühendisler bile bu sık hataların önlenmesini sağlayabilir:

  • [FONT:0) Anti-Aliasing:[Dönetici: 0) ADC'nin Intrinsic bantsız aranlara yüksek frekanslı gürültü veya harmonikler sağlar. Her zaman örnekleme oranınıza ve bant genişliğinize uygun bir anti-aliasing filtre içerir.
  • [FONT:0)Genelleştirilmiş karar:[Dönlendirme): [Dönlendirme:0)Gerçeğinizin gürültü zemininin ADC'nin ölçüm gürültülerinden daha yüksek olduğunda, gerçek dinamik aralığınıza uygun maliyet ve karmaşıklık sağlar.
  • [FONT:0) Referans Gerilim Gürültünü Neglecting Referans:[Dönetici veya dış gerilim referansı ADC'nin kendisinden daha fazla gürültü katkıda bulunabilir. Düşük bir referans ve yeterli decoupling kullanın.
  • [FONT:0) Saat Jitter Hakkında Önemli: [Dönder: [Dönderlik için yüksek hızlı dönüştürücüler için, örnekleme saati doğrudan SNR'yi kullanın. Özel, düşük yağ saati kaynağı kullanın (örneğin, yüksek çözünürlükte bir oscilla, yüksek çözünürlükte bir zamanlayıcı).
  • [FONT:0)Mismatching Access Drive Capability:) Bazı ADC'lerin düşük bir kesintili sürücüye ihtiyaç duyan sığar veya girişleri vardır. Uygun bir tampon olmadan, sinyal yanlış bir şekilde yerleşmeye neden olabilir.
  • [FONT:0) Latency:[Dönetici: Boru ve Delta-Sigma ADCs, deterministic latency tanıtıldı. kapalı-loop kontrolü veya gerçek zamanlı geri bildirim sistemleri için, bu gecikme, zaman zaman zaman zamanlaması kritik olduğunda SAR veya diğer düşük değer mimarileri kullanabilir.

ADC Teknolojisinde Gelişen Trendler

Mevcut eğilimlerin farkında kalmak, tasarımlarınızı gelecekte garanti etmenize yardımcı olur.

  • [FONT:0) Yüksek Hızlarda Yüksek Çözünürlük: CMOS ölçekleme ve gelişmiş kalibrasyon teknikleri şimdi 14-bit ADCs'nin 500 MSPS'nin ötesine geçmelerine izin veriyor ve 16-bit dönüştürücüler 100 MSPS'ye ulaşmalarını sağlıyor.
  • [FONT:0) Dijital Kalibrasyon ve Yardımcılık:) Birçok modern ADCs dijital kalibrasyon motorlarını dengelemek, kazanmak ve lineerlik hataları geliştirmek için entegre eder.Bu, ENOB'yi geliştirir ve dışsal kesme ihtiyacını azaltır.
  • [FONT:0) Dijital Sinyal İşleme ile Integration:) Daha Fazla ADCs, FFT hızlandırıcılar veya aynı ölülerde programlanabilir. Bu “akıllı ADC” yaklaşımı, ana işlemciden tekrarlanan işlemden geçer ve veri trafiğini azaltır.
  • [FONT=0) Deep Sleep Modes ile düşük güç: IoT ve batarya destekli sensörler için ADCs şimdi ultra sağ sol güç (nanoamps standby) hızla uyanarak episodik sinyalleri yakalamaya çalışır.
  • [FONT:0) Çok basit Sampling: [Dönetici: 4, 8 veya 16 senkronizasyonlu SAR ADCs bir pakette fazlı-array, MIMO ve polifay uygulamaları için ortak hale gelir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

DSP projesi için doğru ADC'yi seçmek, genel olarak karar, hız, güç, arayüz ve maliyetle dengeleyici bir süreçtir. Anahtar özellikleri anlamak - ENOB, giriş ve bozulma - ve uygulama alanınız için en uygun şekilde eşleşen, DSP sisteminiz gerçek sinyallerinizin altında ADC'yi çıkarmak için sağlam bir temele sahip olacaktır.

Daha fazla okuma için, [[Dönetici:0)Analog Cihazları ADC Seçim Kılavuzu[Dönetici:2) ve ADC Handbook) derinlemesine sayısal analiz için mükemmel bir astar olarak adlandırılır.Ingerekli kriter ve sonuçları [FLT: 5)Ulusal Aletler: [FLT: 5)