Giriş: Modern Bilimsel Aletlemede ADCs'in Eleştirel Rolü

Modern bilimsel keşif, yakalamak, ölçmek ve olağanüstü hassas olan fiziksel fenomenleri analiz etme yeteneğine bağlıdır. Neredeyse her veriyle ilgili sinyal işlemenin kalbinde, sürekli analog dünya ve hesaplı dijital alan arasındaki köprüyü sağlar.

ADC'nin performansı doğrudan sadakat, dinamik aralıkları ve nihayetinde bir ölçümün bilimsel değerini belirler. Yüksek çözünürlüklü, nükleer manyetik rezonans (NMR), ve astronomik gözlemler, amplity veya frekansın dakika farklarını çözme yeteneği, bu makale yüksek çözünürlüklü spektroskopi ve uygulamaları gibi alanlarda, temel spektroskopi ve bilimsel enstrümantasyonda onları vazgeçilmez hale getirir.

Analog-to- Digital Dönüşümlerinin Temelleri

ADC sürekli zamanlı, sürekli olarak homojen bir analog sinyalini ayrı bir zaman, ayrıklık dijital temsiline dönüştürür. Dönüşüm, iki birincil operasyon içerir: 0,0) ADC'nin kararında ifade edilen seviyeler (Dönemli ve [[Dönemlileştirme[Diziler)[Dönemlileştirme[Dönemlileştirme[Dönemlileştirme[Dönemli)[Üye Olmayanlar için 16 milyonluk bir dizi dijital seviyeyi temsil eder.

Sampling Rate and Nyquist Criterion

Nyquist-Shannon örnekleme teoremine göre, örnekleme oranı birkaç gigahertz (e.g) için sinyaldeki en yüksek frekans bileşeni olmalıdır (örneğin, örnekleme hızı ve karar verme arasındaki ticaret-off ADC tasarımından sık sık sık sık sık sık sık sık sık örnekleme oranları gerektirir.

Sayım Gürültü ve SNR

Quantization, LSB'nin en az önemli olduğu yerde, ideal ADC'nin teorik sinyali (SNR) tarafından verilir:2)SNR = 0 6.0N + 1.76 dB.

Bilimsel ADCs için Anahtar Performans Parametreleri

Karar ve örnekleme oranının ötesinde, diğer bazı ölçümler, ADC'nin yüksek bilimsel uygulamalar için uygunluğunu tanımlar:

  • [FONT:0]Spurious-free dynamic aralığı (SFDR): ), Frekans alanında en büyük titiz bileşene olan temel sinyal oranı. Yüksek SFDR, zayıf zirvelere yakın hatları tespit etmek için gereklidir.
  • [FONT:0)Toplu harmonik dezenfeksiyon (THD): ), temel olarak tüm harmonik bozulmaların toplamını ölçmektedir. Low THD yüksek çözünürlükte Fourier-transform spektroskopi ile kritiktir.
  • [DNL:0)Differential nonlinearity (DNL): [DFLT:1), Yakın ölçüm seviyeleri arasında adım genişlikte Variation. Yüksek DNL hataları eksik kodlara ve non-monotonik davranışlara neden olabilir, düşük seviyeli sinyalleri bozabilir.
  • [FONT:0)Integral nonlinearity (INL): [Dönderlik fonksiyonunun doğrudan bir çizgiden geçişinin Deviasyonu.In spectroskop, INL, dalga / amplibrasyonda sistematik hataları tanıtabilir.
  • [FONT:0)Effective number of bits (ENOB):[Dönetici: [FONT:0) Gerçek dünya koşullarında elde edilen gerçek karar, gürültü ve bozulma için muhasebe. ENOB genellikle nominal karardan çok daha düşük.

Dinamik Range and Gürültü Kat

Yüksek çözünürlüklü spektroskopi, aynı anda güçlü ve zayıf sinyalleri bozmadan yakalama yeteneği ADC'nin dinamik aralığı tarafından yönetilebilir. Bu genellikle gürültü ve dijital filtrelemeye yönelik en yüksek ölçümlü sinyal oranı olarak ifade edilir. Örneğin, Raman spectroskopi, en güçlü zirvenin ( lazer hattı) en zayıf moleküler titreşimden 106 kat daha güçlü olabilir, 120 dB veya daha fazlası gerekir.

ADC Architectures Bilimsel Instrumentation'da kullanılır

Farklı bilimsel uygulamalar hız, çözünürlük, güç ve maliyet arasında farklı ticaret yapılmasını talep eder. Aşağıdaki mimariler yüksek uçlu araçta en yaygın olanıdır.

Başarıyla-Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs, NMR için iyi bir karar dengesi sunar (18-20 bit) ve orta hız (İkinci başına on megasamples dahil). NMR için veri-acquisition sistemleri ve mükemmel doğrusallık ve nispeten düşük güç tüketimi nedeniyle. Modern SAR ADCs yüksek hassasiyet elde etmek için yaygın olarak kullanılır.

Sigma-Delta ( ⁇ ) ADCs

⁇ ADCs son derece yüksek çözünürlükte (24 bit ve ötesinde) aşırı gürültü ve gürültü şekillendirme yoluyla elde ederler. Düşük frekanslılar için seçim teknolojisi, yüksek çözünürlükte ölçümler, çevresel izleme ve çekimsel dalga dedektörleri; ⁇ dönüştürücüler genellikle birkaç MHz'in altındaki örnekleme oranlarında çalışır.

Borud ADCs

Borud ADCs, yüksek dönüşüm oranları elde etmek için çok düşük çözünürlüklü aşamalarını birleştirir (İkincisi için megasamples) orta çözünürlükte (12-16 bit) yaygın olarak dijital oscilloskoplarda, radar alıcılar ve zaman çözülmemiş spektroskop sistemleri (örneğin, pompa-probe deneyleri). Borulu ADCs, yanlış eşleştirme etkilerini en aza indirmek için dijital hata düzeltme ile tasarlanabilir.

Zaman-Kontrol ADCs

ultrafast spektroskopi (e.g.-, gerçek zamanlı terahertz görüntüleme, optik-frezeler), tek ADC, paralel olarak çalışan birden fazla ADC'yi kullanarak, her örnekleme sistemini farklı bir şekilde kullanarak, her bir örnekleme oranı ikinci başına on gigasamples'e ulaşabilir. Ancak, kazanımlarda yanlış eşleştirmeler ve kanallar arasında zamanlaması, dikkatli kalibrasyon algoritmaları tarafından düzeltilmelidir.

Yüksek Çözünürlükteki Uygulamalar Spectroskop

ADCs, çeşitli spektroskopik tekniklerle atılım ve çözümü etkinleştirdi. Aşağıda birkaç ayrıntılı örnek vardır.

Optik ve Moleküler Spectroskopi

Dispersive spectrometreler (örneğin, Czerny-Turner tasarımları), bir fotodektör dizi (CCD veya CMOS) çok sayıda değişkenli ve ADC'nin dinamik aralıkları ve gürültü performansı ile sayısal olarak analiz edilir.TheD D D D the the the thevid the the the the the probrights the the the the the text the the the the the text the the pro text the the prob tr the text the the tr tr tr the tr tr tr the the the tr tr the the the the the the the text the the the the the the tr the the the the tr the the the tr tr tr tr tr the the the the the the the the the tr the text the the the the the the tr the the

Mass Spectrometri

Zaman zaman zaman zaman içinde, yüksek hızlı ADC (F-ten 1-10 GS /s) ile bir ölçümleme ile hızlanır.In Orbitrap kitleleri, zaman zaman çizelgesinden yararlanarak, ADC'leri piktize etmek için sayısal olarak geri alır.

Nükleer Manyetik Resonance (NMR) ve MRG

NMR spektrometreleri ADC'leri çok yüksek dinamik bir aralıkla zayıf sinyalleri ve 20 bitin üzerinde dinamik aralıklardan yayılan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir yol bulmak için çok yüksek dinamik bir dizi gerektirir.Modern NMR alıcıları 16-bit SAR ADC'ler ile aşırı alıcı dizileri ortaktır, ancak sonraki-gelişmiş sistemler 20 bitin üzerinde etkili bir şekilde doğrulanmış sinyale doğru hareket eder.

Radyo Astronomi ve Astrofizik

Radyo teleskopunun alıcı zinciri, Atacama Büyük Millimeter / arka planlı 8 megahertz'ı çalıştırabilir ve sinyal, 4-16 GS /s'te çalışan güçlü galaktik arkadan gelen teleskoplarda kullanılan ADC'ler, maskeleme / arka planlı ekranlarda kullanılan otomatik olarak düşük maliyetlidir.

ADC Uygulamalarında Zorluklar ve Ticaretler

Yüksek çözünürlüklü spektroskop için bir ADC tasarlamak, çeşitli çatışma koşullarını dengelemeyi içerir:

  • [FONT=0) vs. Çözümü:[Dönetici: [Dönetici:0) Hızlandırmak için gereken her bir kararın her bir kısmı, gürültü gereksinimlerinin, zaman yerleşmesini veya geçiş süresini azaltımı gerektirir. Birçok uygulama örnekleme oranı ve etkili bitler arasında uzlaşmalıdır.
  • [FONT=0]Dynamic Range vs. Power: Yüksek dinamik aralık ve düşük gürültü genellikle yüksek önyargı akımları ve sofistike analog devreleri gerektirir, önemli güç dağılımına yol açar - taşınabilir veya ağojenik cihazlar için son derece açık.
  • [FONT:0)Linearity vs. Sıcaklık İstikrarlı analog bileşenler sıcaklık bağımlı sürükler. Uzun zamandır (örneğin, astronomik gözlemler kalıcı saatler), ADC'nin INL ve kazanılması sık gereklidir.
  • [FONT=0)Jitter ve Aperture Uncertainty:[Dönetici: [Dönetici: 0,0) Yüksek frekanslı sinyaller için (örneğin, ultra hızlı lazer spektroskopi) saat jitter SNR'yi de kırabilir. ADC'nin aperture jitteri bir LSB'ye karşılık gelen eşdeğer zaman belirsizliği altında tutulmalıdır.

Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar

Gelecek nesil bilimsel araçların talepleri ADC inovasyonunu kullanmaya devam ediyor. Birkaç umut verici trendler manzarayı yeniden şekillendiriyor.

In-Chip Digital Calibration

Modern gelişmiş CMOS süreçleri, dijital düzeltme mantığının aynı zamanda analog temel olarak yer almasını sağlar. Algoritmalar, gerçek zamanlı olarak denge ve lineerliği ENOB tarafından 2-3 parçaya sahip olmadan kullanılabilir.[Döneticileri olmayanlar).

Fotonic ADCs

Tamamen elektronik ADC'lerin hız sınırlamalarını aşmak için, optik yöntemler araştırılıyor. Fotoğraf ADCs, optik ADC'ler kullanarak optik alanda örnek sinyalleri dijital hale getirmeden önce örnekleme oranlarına sahip olabilir.Bu sistemler 100 GS / 8-10 etkili bitleri olan örnekleme oranlarına ulaşabilir.

MakineLearning-Enhanced ADC Data Processing

En iyi ADC ile bile, geleneksel gürültü ve lineer olmayanlar, ADC'nin tek başına ne sağladığının ötesinde daha fazla öğrenme modellerini kısıtlayabilir ve düzeltebilir. Örneğin, konvolual sinir ağları temelleştirici ve sorumlu işlevleri kaldırmak için eğitilmiş olabilir, ADC'nin tek başına ne sağladığının ötesinde etkili bir şekilde sinyal öğrenme oranını artırmak için daha iyi bir şekilde geliştirir.

Doğrudan-Digitizasyon ve Karma-Signal Entegrasyon

Birçok modern spektroskopi sistemleri artık ADC'yi doğrudan demette dahil ediyor, analog alıcı zincirini tamamen atlıyor. Bu “yöneticileştirme” yaklaşımı, analog gürültüyü ortadan kaldırır ve X-ray spektroskopi'nde, örneğin, piksel seviyesi ADC'ler, varsayılan ADC'ler ile entegre edilmiş bir şekilde binlerce pikseli tam olarak okumasına izin veriyor.

Bilimsel Bir Instrument için Doğru ADC'yi seçin

Mühendisler ve araştırmacılar yeni bir araç için ADC seçerken birden çok faktör değerlendirmelidir:

  • [FONT:0) Etkili bitleri (ENOB)), sinyalin maksimum frekansında.
  • [FONT=0]Sampling oranı[[Dönetici:0) Nyquist oranına göre ve planlanan aşırılık oranına göre.
  • [FONT:0)Power tüketim ve termal bütçe[Dönemli: 1), özellikle de vakum veya kriyojenik sıcaklıklarda çalışan cihazlar için.
  • [FONT:0]Number kanalları[[Dönetici:0) ve zaman boyu dönüştürücü dizilerin fizibilitesi.
  • [FONT:0)Environmental sağlamlığı[[DÜT:1): Uzay tabanlı spektroskopi için radyasyon toleransı, süper iletken sensörler için düşük sıcaklık operasyonu, vs.
  • [FONT=0] Interface protokolü[[DFLT:1] (SPI, LVDS, JESD204B) ve alt FPGA veya DSP'ler ile uyumluluk.

Yüksek performanslı ADC'lerin bilimsel uygulamalar için lider tedarikçiler şunlardır:0)Analog Cihazları)., [[Dönetici:2)Texas Instruments). ve [[DörtDüzD[DörtÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜye Olmayanlar[DÜye Olmayanlar)

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Analog-dijik dönüştürücüler yüksek çözünürlüklü spektroskop ve bilimsel enstrümanasyonda temel teknoloji olarak kalır. Çözümün, hız, lineerlik ve entegrasyondaki gelişmeler, tek fotoslar tespit edebilecek araçlar, kütle spektrometrisinde temelsel oranlar ve uzaydaki en uzak nesnelerden spektroskoplar alır.ADC mimarisinin seçimi ve uygulamaları genellikle bir ölçümin gürültüyü ortaya çıkarabilir veya gürültüyü tespit edebilir. Astroskopi, yüksek frekanslara doğru iter.