Какво е ADC? Видове аналогово-цифрови преобразуватели и как работи

Аналогово-цифровият преобразувател (ADC) преобразува аналогови сигнали, като напрежения от сензори, аудио вълни и измервателни сигнали, в цифрови данни, които микроконтролер, процесор, FPGA или компютър могат да обработят. Тази статия обяснява как работят ADC, основните видове ADC, резолюцията, честотата на дискретизация, ключовите спецификации, приложенията, факторите за избор и общите проблеми с отстраняването на неизправности.

Каталог

Фигура 1: Верига на сигнала на ADC от аналогов вход до цифров изход

Какво е ADC?

Аналогово-цифровият преобразувател (ADC) е електронна схема, която преобразува непрекъснат аналогов сигнал в цифрова стойност, която микроконтролер, процесор, FPGA или компютър могат да прочетат и обработят.

Как работи ADC?

ADC преобразува аналогов сигнал в цифрови данни по следния път:

• Аналогов вход: Оригиналното напрежение или сигнал, влизащ в ADC.

• Филтър за противозаконно смесване: Премахва честоти, които биха могли да предизвикат смесване преди дискретизацията.

• Проба и задържане: Улавя входното напрежение в конкретен момент и го задържа по време на преобразуването.

• Квантоване: Присвоява sampled напрежение на най-близкото налично цифрово ниво.

• Кодиране: Преобразува квантования нивото в двоичен код.

• Цифров изход: Изпраща крайната цифрова стойност на микроконтролер, процесор, FPGA или друга цифрова система.

За N-битов ADC:

Брой нивата = 2ᴺ

Идеален размер на LSB = Целият обхват ÷ 2ᴺ

Идеална грешка на квантоване = ±0.5 LSB

Например, 12-битов ADC има:

2¹² = 4096 нива

С входен обхват от 0–3.3 V:

3.3 V ÷ 4096 ≈ 0.806 mV

Така всеки идеален LSB представлява приблизително 0.806 mV, с идеална грешка на квантоване приблизително ±0.403 mV.

Фигура 2: Пример за квантоване Unipolar 0–3.3 V с двоични изходни кодове

Какви са основните видове ADC?

Различните архитектури на ADC използват различни методи на преобразуване, които влияят на скоростта, резолюцията, потреблението на енергия, латентността и точността.

Вид ADC	Как работи	Основно предимство	Основно ограничение	Чести приложения
SAR ADC	Използва вътрешен DAC, компаратор и регистър за последователно приближение. Извършва бинарно търсене, проверявайки по един бит, докато се намери най-близкият цифров код.	Добро балансирано съотношение между скорост, резолюция, ниска мощност и ниска латентност	Не е подходящ за най-високоскоростните сигнали	Микроконтролери, сензори, индустриално управление, придобиване на данни
Сигма-делта ADC	Преобработва входа с висока вътрешна честота. Оформянето на шума изтласква голяма част от квантовия шум извън честотната лента на сигнала, докато цифровата филтрация и десимация произвеждат окончателния изход с по-ниска честота.	Висока резолюция и нисък шум	По-ниска пропускателна способност и по-висока латентност на филтъра	Прецизни сензори, аудио, везни
Флаш АЦП	Използва много компаратори едновременно, за да определи входното ниво. Идеалното N-битово флаш АЦП изисква 2ᴺ − 1 компаратора.	Изключително бързо преобразуване	Висока консумация на енергия, голяма площ на схемата и сложност	РЧ, радар, осцилоскопи
Пайплайн АЦП	Преобразува входа през няколко етапа. Всеки етап решава част от сигнала, изважда своята оценка, усилва оставащия остатък и го предава на следващия етап.	Висока скорост на пробата с полезна разделителна способност	Добавя латентност на преобразуването	Комуникации, изображение, бързо събиране на данни
Двойно наклонен АЦП	Интегрира неизвестния вход за определено време, след което интегрира известна референтна величина с противоположна полярност, докато интеграторът се върне на началното си ниво. Измереното време определя цифровия резултат.	Висока точност и добро отхвърляне на шумове	Бавно преобразуване	Цифрови мултиметри и прецизни инструменти

АЦП с SAR определя резултата чрез процес на бинарно търсене, използвайки вътрешния си ЦАЦ и компаратор. АЦП с сигма-дял се доверява на прекомерно пробване, формуване на шум, цифрово филтриране и децимация за висока разделителна способност при измервания. Флаш АЦП постига много висока скорост, като използва много паралелни компаратори, докато пайплайн АЦП обработва остатковете на сигнала през множество етапи на преобразуване. Двойно наклонен АЦП използва интеграция и времеви настройки, което го прави много подходящ за бавни, прецизни измервания.

Резолюция на АЦП, Скорост на проба и Точност

Производителността на АЦП основно зависи от резолюцията, скоростта на проба и точността.

Параметър	Значение	Защо е важно
Резолюция	Брой битове, използвани за всяко преобразуване	Определя най-малката промяна на входа, която АЦП може да представи
Скорост на проба	Брой проби, взети на секунда	Определя колко бързо променящият се сигнал може да бъде измерен
Точност	Колко близо е резултатът до реалния вход	Влияе на правилността на измерването
ENOB	Ефективен брой битове	Показва полезната резолюция след шум и изкривяване

Резолюция на АЦП

Резолюцията определя колко цифрови нива може да произведе АЦП.

8-бит = 256 нива

10-бит = 1,024 нива

12-бит = 4,096 нива

16-бит = 65,536 нива

По-високата резолюция позволява по-малки промени на сигнала да бъдат представени, но шумът и грешките в схемата могат да намалят полезната резолюция.

Скорост на проба на АЦП

Скоростта на проба е броят на пробите, които АЦП взима на секунда и обикновено се посочва в SPS, kSPS или MSPS.

За сигнал с ограничена пропускателна способност, скоростта на проба трябва да бъде по-висока от два пъти най-високата честота на сигнала:

fₛ > 2 × fmax

Например, сигнал с базова честота, съдържащ честоти до 10 kHz, теоретично изисква:

fₛ > 20 kSPS

В практични проекти, скоростта на проба обикновено е по-висока, защото реалният анти-алиасингов филтър се нуждае от преходна лента между най-високата изисквана честота на сигнала и fₛ/2.

Тези термини са различни:

Термин	Значение
Скорост на проба	Брой проби, взети на секунда
Аналогова входна ширина на честотата	Честотен диапазон, който аналоговият вход на АЦП може да приеме
Пропускателна способност на преобразуването	Максимален брой завършени преобразувания на секунда
Скорост на проба на канал	Ефективна скорост на проба, налична за всеки канал

За мултиплексирано АЦП общата пропускателна способност на преобразуването се споделя между каналите. Например, АЦП с 100 kSPS, измерващ четири канала равномерно, може да предостави около 25 kSPS на канал, преди да се вземат предвид времето за придобиване, превключването на канала и времето за стабилизиране.

Точност на АЦП, SINAD и ENOB

Точността на АЦП е повлияна от грешка в референцията, грешка в изместването, грешка в усилването, нелинейност, шум, изкривяване, липсващи кодове, влат АП и други грешки при преобразуване.

SINAD или Отношение сигнал-шум-изкривяване сравнява желания сигнал с комбинирания шум и изкривяване в изхода на АЦП.

ENOB или Ефективен брой битове показва полезната динамична резолюция на АЦП след включване на шум и изкривяване.

ENOB = (SINAD − 1.76) ÷ 6.02

Например, ако SINAD е 68 dB:

ENOB = (68 − 1.76) ÷ 6.02 ≈ 11.0 бита

Това уравнение се прилага за тестване на синусоидална вълна при определени условия на входна честота, входна амплитуда и условия на пробване.

Други важни термини за точността на АЦП включват:

• Обща некоригирана грешка (TUE): Комбинираният ефект на основните статични грешки на АЦП без калибриране.

• Липсващи кодове: Цифрови изходни кодове, които не се появяват поради нелинейността на преобразувателя.

• Шум в апертурата: Непредвидимост на времето в момента на вземане на проба, която става по-важна при по-високи входни честоти.

• Разрешение без шум: Броят на битовете, които остават стабилни без промени в кода, причинени от шум от връх до връх.

Основни спецификации и фактори на производителността на ADC

Спецификация	Какво да проверите	Защо е важно
Входен диапазон	Минимално и максимално входно напрежение	Осигурява сигналът да остане в диапазона на измерване на ADC
Референтно напрежение	Точност, стабилност, отклонение и шум	Определя диапазона на преобразуване и влияе на точността на измерването
Разрешение	Изискван брой битове	Определя броя на наличните цифрови нива
Честота на вземане на проби	Проби на секунда	Определя колко често входният сигнал се взема
Пропускателна способност на преобразуване	Завършени преобразувания на секунда	Важно за непрекъснати и мултиканални измервания
ENOB	Ефективен брой битове	Показва използваемо динамично разрешение след шум и изкривяване
SINAD	Отношение сигнал-шум и изкривяване	Показва комбинирано представяне на шум и изкривяване
SNR	Отношение сигнал-шум	Показва качеството на сигнала в сравнение с шума
Обща коригирана грешка (TUE)	Комбинирана статична грешка при преобразуване	Помага за оценка на общата точност на постоянен ток без калибрация
INL	Интегрална нелинейност	Показва отклонение от идеалната крива на преобразуване на ADC
DNL	Диференциална нелинейност	Показва вариацията между съседни стъпки на цифровия код
Липсващи кодове	Дали всички очаквани изходни кодове се появяват	Липсващите кодове намаляват използваемата непрекъснатост на преобразуването
Шум в апертурата	Непредвидимост на времето за вземане на проба	Може да намали точността и SNR при по-високи входни честоти
Разрешение без шум	Стабилно разрешение, основаващо се на шум от връх до връх	Важно за измервания на постоянен ток с нисък шум и сензори
Грешка на нулево ниво	Грешка в близост до нулево входно напрежение	Влияе на измерванията на ниски нива
Грешка на усилване	Грешка в близост до пълномаслено входно напрежение	Влияе на мащабирането на измерванията в диапазона на входа
Време за придобиване	Времето, необходимо на входа на ADC да придобие сигнала	Недостатъчно време за придобиване може да причини грешки, особено с висока изходна импеданса
Входна импеданса	Товарене на източника на сигнал	Може да повлияе на усядането на сигнала и точността на измерването
Брой канали	Брой аналогови входове	Определя колко сигнала могат да бъдат измервани
Тип вход	Сингъл-ендед или диференциален	Трябва да съответства на сензора или източника на сигнал
Интерфейс	SPI, I²C, паралелен, LVDS или друг интерфейс	Трябва да бъде съвместим с процесора или FPGA
Консумация на енергия	Активен и режим на готовност на тока	Важно за портативни и нискомощни системи
Работна температура	Изискван температурен диапазон	Важно за индустриални и автомобилни приложения

За динамично представяне на ADC, трябва да се проверят SINAD и ENOB при зададената входна честота, входна амплитуда и честота на вземане на проби, тъй като тези стойности могат да се променят в зависимост от работните условия. Шумът в апертурата става по-важен, когато входната честота се увеличава, докато разрешението без шум е особено полезно за прецизни измервания на постоянен ток и нискочестотни измервания.

Обичайни приложения и случаи на използване на ADC

ADC-та се използват навсякъде, където цифрова система трябва да измерва аналогов сигнал.

Приложение	Измерен сигнал	Основно изискване на ADC
Измерване на температура	Терморезистор, RTD или напрежение на сензора	Точност и нисък шум
Мониторинг на батерии	Напрежение на батерията или захранващото напрежение	Входен диапазон и точност
Запис на аудио	Микрофон или звукова форма	Честота на вземане на проби и ниско изкривяване
Индустриален контрол	Налягане, поток, позиция и ток	Надеждност и представяне на шума
Автомобилна електроника	Температура, налягане, напрежение и ток	Широк температурен диапазон и здравина
Медицински инструменти	Сигнали от сензори с ниско ниво	Висока резолюция и нисък шум
Придобиване на данни	Множество измервателни канали	Точност, брой канали и честота на проба
Осцилоскопи	Високоскоростни напрежинни вълнови форми	Висока честота на проба и честотна лента

Типът АЦП трябва да съвпада със сигнала. Бавните прецизни сензори обикновено изискват точност и нисък шум, докато бързите вълни изискват висока скорост на проба и достатъчна честотна лента.

Как да изберем правилния АЦП: примери от практиката

Примерни системни изисквания: входен диапазон 0–3.3 V, минимална промяна на сигнала 1 mV, максимална честота на сигнала 1 kHz и 4 канала.

Стъпка за избор	Изчисление / Изискване	Резултат
Изисквана разделителна способност	3.3 V ÷ 0.001 V = 3,300 нива	Най-малко 12-битов АЦП, защото 2¹² = 4,096 нива
Размер на LSB	3.3 V ÷ 4096	≈ 0.806 mV/LSB
Минимална честота на проба	> 2 × 1 kHz	> 2 kSPS на канал
Практическа честота на проба	Добавете марж за преходната лента на филтъра против алиасинг	5 kSPS на канал
Пропускателна способност на канал	Изисквана честота на проба за всеки канал	5 kSPS/канал
Обща пропускателна способност	4 канала × 5 kSPS	Минимална обща пропускателна способност 20 kSPS
Входен диапазон	Изход на сензора = 0–3.3 V	АЦП трябва да поддържа 0–3.3 V или да използва обработка на сигнала
Точност на референцията	0.5 LSB = 0.403 mV; 0.403 mV ÷ 3.3 V × 100	≈ 0.0122% или 122 ppm максимално разпределение на начална грешка
Период на преобразуване	1 ÷ 20,000	50 µs
Прозорец за придобиване	50 µs − 10 µs предполагаеми разходи за преобразуване/интерфейс	40 µs
Изискване за установяване	Входът на АЦП трябва да се установи в рамките на ±0.5 LSB по време на прозореца за придобиване от 40 µs. За система от първи ред с точност от 12 бита, tsettle ≈ 9τ.	τ ≤ 40 µs ÷ 9 ≈ 4.4 µs
SAR АЦП	Подходящ за необходимата разделителна способност, пропускателна способност, ниска латентност и многоканално проба	Най-добро съответствие
Сигма-Делта АЦП	Добра прецизност и нисък шум, но латентността и превключването на канали трябва да бъдат проверени	Възможно
Пайплайн АЦП	Много по-бърз от необходимото	Обикновено ненужен
Флаш АЦП	Висока скорост, мощност и сложност са ненужни	Лошо съответствие
Двойно наклонен АЦП	Добра прецизност, но обикновено твърде бавен	Лошо съответствие
Препоръчителен АЦП	Трябва да отговаря на всички изчислени изисквания	12-битов или по-висок SAR АЦП, ≥4 канала и >20 kSPS обща пропускателна способност

10 µs разход е примерна предположимост. Използвайте стойностите в техническия лист на избрания АЦП за време на преобразуване, време за придобиване, входна капацитивност и импеданс на източника.

Чести проблеми с АЦП и отстраняване на неизправности

Проблем	Вероятна причина	Препоръчителна проверка
Шумни показания от АЦП	Шумен източник, референция, заземяване или сензор	Проверете декуплирането, филтрирането, заземяването и стабилността на референцията
Показанието остава на нула	Няма входен сигнал, грешен канал или грешка в конфигурацията	Измерете входното напрежение и проверете настройките на АЦП
Показанието остава близо до максимума	Входът надвишава обхвата на АЦП	Проверете входното напрежение и схемата за обработка на сигнала
Показанията са неточни	Грешка на референцията, офсет, грешка в печалбата или толеранс на резисторите	Измерете референцията и проверете компонентите за скалиране
Показанията се променят между каналите	Висок източников импеданс или недостатъчно време за установяване	Увеличете времето за придобиване или буферирайте входа
Бързият сигнал изглежда неправилен	Честотата на проба е твърде ниска	Увеличете честотата на проба и използвайте филтър против алиасинг
Ниските битове флуктусират	Електрически шум	Подобрете заземяването, филтрирането, екранирането или средното аритметично
Показанията се променят с температурата	Дрифт на референцията или компонента	Използвайте компоненти с нисък дрифт или калибрация

Заключение

АЦП преобразува аналогови сигнали в цифрови стойности за обработка и измерване. Правилният АЦП зависи от разделителна способност, честота на проба, точност, входен диапазон, шум, качество на референцията, интерфейс и изисквания за мощност. SAR АЦП са подходящи за много вградени системи, сигма-делта АЦП са подходящи за прецизни измервания, а пайплайн или флаш АЦП са по-добри за бързи сигнали. Добрата обработка на сигнала, заземяването, филтрирането и проектирането на референцията също са важни за надеждно преобразуване.