Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Funkcje sterowników do przetworników ADC

Producenci komponentów elektronicznych stale rozszerzają oferty o nowe komponenty. Wśród nowych rozwiązań szczególnie interesującą grupą są czujniki. Przewiduje się, że cały rynek czujników będzie rósł w rocznym tempie skumulowanym wynoszącym ponad 9%. Rynki końcowe obejmują zastosowania IoT, automatykę i kontrolę fabryk, zdrowie i bezpieczeństwo publiczne, opiekę zdrowotną i motoryzację. Ekspansja czujników pociąga za sobą zapotrzebowanie na układy kondycjonowania sygnałów analogowych oraz ADC. Trend rynkowy zmierza w kierunku urządzeń o wyższej rozdzielczości i szybkości, które stają się bardziej przystępne pod względem kosztów, pomimo coraz lepszych parametrów.
Article Image

Przed omówieniem funkcji technicznych, wymaganych od sterownika przetwornika ADC, potrzebny jest krótki przegląd architektury toru wejściowego dzisiejszych przetworników ADC. Po pierwsze, należy wyjaśnić, czym jest sygnał różnicowy. Można go zdefiniować jako dwa przebiegi, które mają równe, ale przeciwne sygnały, ustalone w odniesieniu do jednego poziomu (nazywanego poziomem trybu wspólnego). Dwa przebiegi sygnału są określane jako dodatnie i ujemne lub nieodwracające i odwracające, jak pokazano na rysunku 1. W pokazanym przykładzie napięcie sygnału wejściowego w pełnej skali wynosi 5 V – mierząc wartość międzyszczytową w sposób różnicowy. Każda odnoga waha się w zakresie 2,5 V.

Rysunek 1. Przykład różnicowej fali sinusoidalnej

Poziom trybu wspólnego w tym przykładzie to 2,5 V.

Większość dzisiejszych wysokowydajnych przetworników ADC ma zaimplementowaną architekturę wejścia różnicowego, ponieważ zapewnia ona doskonałe parametry pomiarów (w porównaniu z wejściami typu single-ended). Zalety takiego rozwiązania obejmują zdolność do odrzucania szumów trybu wspólnego i typowych sygnałów zakłócających oraz 6 dB (współczynnik równy 2) wzrost zakresu dynamicznego.

Obwody wejściowe przetworników ADC

Przetworniki ADC mogą stanowić szczególnie trudne wyzwanie dla projektantów systemów, oferując wiele różnych architektur próbkowania danych wejściowych, które należy rozważyć na poziomie systemu. Na potrzeby tej dyskusji skupimy się na przetwornikach ADC, które zawierają strukturę przełączanych kondensatorów do próbkowania sygnału wejściowego. W swojej najbardziej podstawowej formie ta struktura wejściowa składa się ze stosunkowo małego kondensatora i przełącznika analogowego, jak pokazano na rysunku 2. Gdy przełącznik jest skonfigurowany w pozycji 1, kondensator próbkujący jest ładowany do napięcia węzła próbkującego, w tym przypadku VS. Przełącznik jest następnie przestawiany do pozycji 2, gdzie nagromadzony ładunek na kondensatorze próbkującym jest przenoszony do reszty obwodu próbkującego. Następnie proces zaczyna się od nowa.

Niebuforowane wejście z przełączanym kondensatorem, takie jak opisane powyżej, może powodować poważne problemy na poziomie systemu. Prąd wymagany do naładowania kondensatora próbkującego do odpowiedniego napięcia musi być dostarczany z zewnętrznego obwodu podłączonego do wejścia ADC. Gdy kondensator zostanie przełączony do węzła próbkowania (pozycja przełącznika 1 na rysunku 2), do rozpoczęcia ładowania kondensatora będzie wymagany znaczny prąd. Wielkość tego chwilowego prądu jest funkcją wielkości kondensatora próbkującego, częstotliwości, przy której kondensator jest przełączany, oraz napięcia obecnego w węźle próbkującym. Ten prąd przełączania można opisać następującym równaniem:

iin=C·V·f

gdzie:
C – pojemność kondensatora próbkującego,
V – napięcie obecne w węźle próbkującym (w tym przykładzie oznaczone jako VS), 
f – częstotliwość, przy której przełącznik próbkowania jest włączany i wyłączany.

Ten prąd przełączania skutkuje dużymi skokami prądu w węźle próbkowania, jak pokazano na rysunku 2. Konsekwencje tego zjawiska należy wziąć pod uwagę podczas projektowania obwodów analogowych przed przetwornikiem ADC. Gdy prąd wejściowy przechodzi przez jakąkolwiek rezystancję, nastąpi spadek napięcia, co spowoduje błąd napięcia w węźle próbkowania przetwornika ADC. Zniekształcenie może również wystąpić, jeśli węzeł wejściowy nie jest w pełni ustabilizowany przed następnym cyklem próbkowania.

Rysunek 2. Uproszczona struktura obwodu wejściowego przetwornika ADC z przełączanymi kondensatorami

Rozwiązanie – sterowniki do przetworników ADC

Jak sama nazwa wskazuje, sterowniki ADC to specjalistyczne wzmacniacze zaprojektowane do współpracy z przetwornikami ADC o architekturze bazującej na kolejnych przybliżeniach, potokach, tzw. delta-sigma. Te specjalistyczne wzmacniacze są kluczowymi komponentami obwodów umożliwiających przetwornikom ADC działanie z pełną wydajnością i stały się bardziej istotne wraz z rozwojem szybszych konwerterów o wyższej rozdzielczości.

Utrzymanie wymaganej integralności sygnału czujnika, aby w pełni wykorzystać wyższą rozdzielczość i pełną szybkość przetwornika ADC, staje się bardzo trudne. Wraz ze wzrostem rozdzielczości i szybkości przetwornika ADC efekty szumu i zniekształceń z sygnału czujnika stają się bardziej zauważalne. Przy wyższych prędkościach próbkowania ADC należy zadbać o to, aby sygnał wejściowy ustabilizował się przed zdarzeniem próbkowania i aby sygnały o większej szerokości pasma nie zakłócały interesującego nas sygnału.

Aby przezwyciężyć te wyzwania związane z kondycjonowaniem sygnału, wiele aplikacji ADC wymaga sterownika ADC, który zapewnia właściwe parametry sygnału i zapobiega antyaliasingowi. Jak opisano wcześniej, większość nowoczesnych przetworników ADC ma zaimplementowaną architekturę wejścia różnicowego. Jedną z głównych funkcji sterownika ADC jest zapewnienie konwersji sygnału z jednego wejścia na sygnał różnicowy (chociaż równie dobrze radzą sobie z różnicowym sygnałem wejściowym). Inną funkcją sterownika ADC jest buforowanie sygnału wejściowego, a tym samym izolowanie reszty obwodu od wstrzykiwania ładunku w węźle wejściowym ADC.

Sterownik ADC zapewnia błyskawiczne ładowanie pojemności i gwarantuje, że obwód próbkujący zostanie ustalony w odpowiednio krótkim czasie, minimalizując w ten sposób wszelkie zniekształcenia. Należy zwrócić uwagę na układ sterownika ADC i konwertera na etapie projektowania płytki, aby zapewnić minimalną rezystancję od wyjścia sterownika do wejścia ADC. Większość wzmacniaczy sterowników ADC zawiera wejście, które umożliwia użytkownikowi zmianę poziomu napięcia wspólnego. Ta cecha pozwala na ustawienie sygnału różnicowego dokładnie w środkowym zakresie napięcia wejściowego ADC, a tym samym maksymalizuje zakres dynamiczny. Ponieważ napięcia robocze nadal mają tendencję spadkową, zakres dynamiczny staje się jeszcze bardziej krytyczny, aby zapewnić pełną rozdzielczość sygnału wejściowego.

Wreszcie, podobnie jak większość wzmacniaczy, przetworniki ADC mogą zapewnić wzmocnienie sygnału wejściowego, a także aktywne filtrowanie. Należy zauważyć, że większość sterowników ADC charakteryzuje się stosunkowo małym wzmocnieniem, zwykle jest to tylko 1 lub 2 V/V. Utrzymanie małego wzmocnienia pętli zamkniętej wzmacniacza skutkuje najniższymi zniekształceniami. Na przykład, jeśli wzmacniacz ma wzmocnienie w otwartej pętli 100 dB i jest skonfigurowany do wzmocnienia w pętli zamkniętej 200 lub 46 dB, pozostawia to tylko 54 dB marginesu wzmocnienia w pętli otwartej, aby zapewnić liniowość. Dlatego powszechne jest dodawanie oddzielnego stopnia wzmocnienia, który znajduje się blisko źródła sygnału, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu.

Podsumowanie

Rozpowszechnienie czujników na wielu różnych rynkach końcowych wywołało zapotrzebowanie na obwody kondycjonowania sygnału. Przy szybkich przetwornikach, o wysokiej rozdzielczości, uświadomienie sobie tej kwestii staje się trudniejsze. Sterownik ADC ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji parametrów pracy przetwornika ADC, dlatego musi odznaczać się znikomymi zniekształceniami, szumami i błędami czasu ustalania w odniesieniu do sygnału źródłowego.

Specjalistyczne urządzenia, takie jak sterownik różnicowy MCP6D11, są zaprojektowane specjalnie po to, aby zmaksymalizować wydajność szybkich przetworników ADC o wysokiej rozdzielczości.

Rysunek 3. Typowa aplikacja układu MCP6D11 z wejściem single-ended i wyjściem różnicowym

Typową aplikację układu pokazano na rysunku 3, a jego dokumentacja jest dostępna na stronie producenta: https://bit.ly/3e1W2GN.

Firma: Microchip Technology
Tematyka materiału: czujniki, przetworniki, ADC, IoT
Źródło
Elektronika Praktyczna wrzesień 2022
Udostępnij
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"