ADC های فرکانس بالا بیانیه مطبوعاتی. DAC با رابط داده ورودی سریال

گسترش شبکه ها انتقال بی سیمداده‌ها با استفاده از فرکانس‌های حامل و نرخ داده‌های بالاتر، مشکلات فزاینده‌تری را برای بهبود دیجیتالی کردن سیگنال‌ها ایجاد می‌کنند. این بدان معناست که تقاضای رو به رشدی برای مبدل های A/D پیشرفته تر وجود دارد. برای برآوردن نیازهای مدرن، مبدل های آنالوگ به دیجیتال با نرخ نمونه برداری بیش از 1 گیگاهرتز ظاهر شده اند. این مقاله استفاده از ADC های سریعتر را هنگام توسعه برنامه های کاربردی جدید و همچنین هنگام ارتقاء برنامه های قدیمی در نظر خواهد گرفت.

قانون نایکیست را به خاطر بسپارید

هنگام انتخاب مبدل آنالوگ به دیجیتال برای یک دستگاه فرکانس بالا، به یاد داشته باشید که نرخ نمونه برداری ADC باید دو یا چند برابر بیشتر باشد. پهنای باندسیگنال دیجیتالی شدن به این نرخ نمونه‌برداری، فرکانس Nyquist می‌گویند. توجه داشته باشید که از اصطلاح "پهنای باند" استفاده می شود نه "فرکانس". اگر سیگنال ورودی سینوسی نباشد، پیچیده در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال، ضربه ای که از یک سینوسی اساسی و هارمونیک های متعدد مطابق با قضیه فوریه تشکیل شده است. سیگنال های مدوله شده همچنین دارای طیف وسیعی از فرکانس ها هستند که باید هنگام انتخاب نرخ نمونه گیری در نظر گرفته شوند.

موج مربعی متشکل از فرکانس اصلی یک موج سینوسی و تعداد بی نهایت هارمونیک فرد را در نظر بگیرید. برای موج مربعی 300 مگاهرتز، نرخ نمونه ADC باید حداقل دو برابر فرکانس هارمونیک پنجم یا 3 گیگاهرتز باشد. سیگنال‌های پیچیده‌تر، مانند رادار یا سیگنال‌های مدوله‌شده، به نرخ‌های پردازش مشابهی برای ثبت دقیق تمام جزئیات سیگنال نیاز دارند.

به عنوان مثال، گیرنده یک ایستگاه پردازش سیگنال پیشرفته LTE است که از تجمع رسانه برای توان عملیاتی بالاتر و نرخ داده بالاتر استفاده می کند. چندین کانال استاندارد LTE با فرکانس 20 مگاهرتز برای ارائه پهنای باند 40، 80، 160 مگاهرتز برای ارائه توان عملیاتی OFDM بالاتر گروه بندی شده اند.

استفاده از ADC های پرسرعت در سیستم های مختلف

عمدتاً ADCهای پرسرعت در دستگاه‌های رادیویی نرم‌افزاری (SDR) استفاده می‌شوند. اکثر SDR های مدرن از معماری تبدیل مستقیم (نفر IF) استفاده می کنند که در آن سیگنال ورودی مستقیماً پس از فیلتر و تقویت دیجیتالی می شود. هنگام کار با سیگنال های دسی متر یا فرکانس بالا (UHF یا مایکروویو)، مبدل آنالوگ به دیجیتال باید نرخ نمونه برداری بالایی داشته باشد. یک مثال یک گیرنده سلولی ایستگاه پایه است.

همچنین ADC های پرسرعت را می توان در سیستم های دیگر مانند سیستم های جنگ الکترونیک (جنگ الکترونیک)، سیستم های ضبط RF و تجهیزات راداری استفاده کرد. اغلب، مبدل های آنالوگ به دیجیتال با سرعت بالا نیز در فناوری اندازه گیری، تجهیزات بازتاب سنجی (OTDR) استفاده می شود. این بخش مهمی از گیرنده های دیجیتال پیش از اعوجاج است که در تقویت کننده های توان RF خطی استفاده می شود.

در زیر بلوک دیاگرام یک تگزاس اینسترومنتز ADC32RF45 مورد استفاده در گیرنده های SDR تبدیل مستقیم است:

فیلتر باند گذر ورودی سیگنال مورد نیاز را انتخاب می کند، تقویت کننده کم نویز آن را تقویت می کند و پس از آن سیگنال به آن اعمال می شود. تقویت کننده دیجیتالبا بهره متغیر که سطح ورودی مناسب برای مبدل A/D را فراهم می کند. فیلترهای خارج از باند مانع از همخوانی می شوند. ADC با یک سینت سایزر خارجی PLL و پاک کننده جیتر کار می کند. با استفاده از رابط JESD2048 به پردازنده DSP متصل می شود.

از جمله محصولاتی که از ADC32RF45 استفاده می کنند می توان به ماژول های رادیویی نرم افزاری FlexorSet Pentek اشاره کرد. این ماژول ها برای کمک به مهندسین در طراحی تجهیزات ارتباطی سفارشی و آزمایش با تجهیزات مختلف SDR طراحی شده اند. ماژول ها دو کانال ADC و دو کانال DAC () ارائه می دهند. Xilinx FPGA با داخلی نرم افزاربرای اکتساب داده و تولید سیگنال، DAC آزمایش ها را تسهیل می کند.

الزامات طراحی

مهمترین مرحله طراحی با استفاده از ADC32RF45، انتخاب صحیح عناصر مدار ورودی خواهد بود. به ویژه، فیلترهای خارج از باند ضد آلیاسینگ باید با امپدانس ورودی ADC مطابقت داشته باشند. این برای اطمینان از حداکثر در نوار صافی فیلتر و ترجیحاً خارج از منطقه رد ضروری است.

برای ساده سازی طراحی، استفاده از پارامترهای S (پارامترهای پراکندگی) توصیه می شود. پارامترهای S در حوزه فرکانس به کمیت های شبیه سازی برای رفتار مدارها و اجزای RF مربوط می شود. این مقادیر پیچیده معمولاً به صورت ماتریسی ارائه می‌شوند که می‌تواند برای نشان دادن رفتار و عملکرد مدارها و قطعات دستکاری شود. آنها هنگام طراحی سیستم های خطوط انتقال، فیلترها و سایر دستگاه های فرکانس بالا ترجیح داده می شوند.

علاوه بر این، یک طراحی مرجع کامل با ماژول ارزیابی (EVM) به سرعت بخشیدن و ساده سازی فرآیند طراحی کمک می کند.

12 09 2013 - نوروود، ماساچوست، ایالات متحده آمریکا

شرکت دستگاه های آنالوگ (NASDAQ: ADI) خانواده 18 بیتی PulSAR® از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) را با توان عملیاتی 5 میلیون نمونه در ثانیه (MSPS) معرفی کرد که دو برابر سرعت هر مبدل ثبت تقریبی متوالی موجود امروزی است. SAR). AD7960 PulSAR ADC برای سیستم‌های کم توان، مالتی پلکس مانند اشعه ایکس دیجیتال و کاربردهای نمونه‌برداری بیش از حد از جمله طیف‌سنجی، کنترل گرادیان و پهنای باند پیشرفته، بهترین کف نویز در کلاس، و خطی بودن بالا در تصویربرداری تشدید مغناطیسی و تجزیه و تحلیل کروماتوگرافی گازها

برخلاف سایر ADC های 18 بیتی که نمونه برداری بیش از حد به قیمت مصرف انرژی و کاهش دقت انجام می شود، AD7960 39 میلی وات در 5MSPS مصرف می کند و برای حفظ خطی بودن استاتیک عالی (+/- 0.8 LSB غیر خطی تجمعی) و عملکرد دینامیکی بالا (سیگنال) بهینه شده است. نسبت به نویز 99 دسی بل) حتی در حداکثر سرعت. این مبدل جدید همچنین دارای بهترین کف نویز (22.4 nV/√Hz) به نسبت ورودی در مقیاس کامل در کلاس خود است. ردپای کوچک بسته به طراحان کمک می کند تا اندازه دقیق، عملکرد حرارتی و توان مورد نیاز مربوط به سیستم های تعداد کانال بالا را برآورده کنند.

دستگاه های آنالوگ همچنین ADC 16 بیتی PulSAR AD7961 را معرفی کردند که نسبت سیگنال به نویز عالی (95.5 دسی بل) و غیرخطی یکپارچه (+/- 0.2 LSB) را در 5 MSPS ارائه می دهد.

• دانلود دیتاشیت، تماشای فیلم، سفارش نمونه و تابلوهای ارزیابی:
• مدارهای طراحی مرجع آزمایشگاه: زنجیره سیگنال 18 بیتی، دقیق، کم توان، برای 5 سیستم جمع آوری داده MSPS
• با سایر توسعه دهندگان و کارشناسان محصول از دستگاه های آنالوگ در جامعه آنلاین ارتباط برقرار کنید پشتیبانی فنی EngineerZone™:

PulSAR AD7960 و AD7691 ADCs سیستم های اکتساب داده را هدف قرار می دهند

ADCهای سازگار با پین PulSAR AD7961 و AD7960 ایجاد سیستم‌های جمع‌آوری داده 16/18 بیتی بسیار قابل تنظیم برای کاربردهای صنعتی و بهداشتی را ممکن می‌سازند. آنها دارای یک رابط LVDS (سیگنال دهی دیفرانسیل ولتاژ پایین) قابل تنظیم و کم نویز هستند که امکان دریافت داده ها از مبدل با سرعت حداکثر 300 مگاهرتز را فراهم می کند.

قیمت و موجودی برای سفارش

تولید - محصول	در دسترس بودن نمونه / تولید انبوه	اجازه	SNR (نوع)	سرعت. دامنه	قیمت هر عدد هنگام سفارش 1000 عدد	قاب
AD7960	اکنون	18 بیت		-40 تا 85 درجه سانتی گراد	$31.00	LFCSP 32 پین
AD7961	اکنون	16 بیت	95.5 دسی بل	-40 تا 85 درجه سانتی گراد	$21.00	LFCSP 32 پین

AD7960 را می توان همراه با تقویت کننده ریل به ریل کم توان ADA4897 (p-to-upply)، تقویت کننده ولتاژ ورودی و خروجی ریل به ریل AD8031 و مرجع ولتاژ کامل ADR4540 یا ADR4550 برای ساختمان استفاده کرد. قدرت کم، زنجیره سیگنال دقیق.

• درباره دستگاه های آنالوگ
• • نوآوری، بالا مشخصات فنیو کیفیت بی‌رقیب محصول، پایه‌های اساسی هستند که به دستگاه‌های آنالوگ اجازه داده‌اند تا سال‌ها یکی از موفق‌ترین شرکت‌های مالی در بازار باشند. قطعات الکترونیکی. دستگاه های آنالوگ که پیشرو جهانی در فناوری های پردازش سیگنال و تبدیل داده است، به بیش از 60000 مشتری در تقریباً هر بخش از صنعت الکترونیک خدمات ارائه می دهد. دفتر مرکزی آنالوگ دیوایس در نوروود، ماساچوست، ایالات متحده آمریکا با مراکز طراحی و سایت‌های تولیدی در سراسر جهان قرار دارد. دستگاه های آنالوگ در شاخص سهام S&P 500 فهرست شده اند.

• مشترک شدن در مجله، مجله فنی هفتگی ADI.

  PulSAR یک علامت تجاری ثبت شده شرکت Analog Devices, Inc است.

ویراستاران - اطلاعات تماس:

در این مقاله مسائل اصلی مربوط به اصل عملکرد ADC در انواع مختلف مورد بحث قرار می گیرد. در عین حال، برخی از محاسبات نظری مهم در مورد توصیف ریاضی تبدیل آنالوگ به دیجیتال خارج از محدوده مقاله باقی مانده است، اما پیوندهایی ارائه شده است که در آن خواننده علاقه مند می تواند بررسی عمیق تری از جنبه های نظری عملیات ADC پیدا کند. . بنابراین، مقاله بیشتر به درک اصول کلی عملکرد ADC می پردازد تا تحلیل نظری کار آنها.

مقدمه

به عنوان نقطه شروع، اجازه دهید تبدیل آنالوگ به دیجیتال را تعریف کنیم. تبدیل آنالوگ به دیجیتال فرآیند تبدیل یک کمیت فیزیکی ورودی به نمایش عددی آن است. مبدل آنالوگ به دیجیتال وسیله ای است که چنین تبدیلی را انجام می دهد. به طور رسمی، مقدار ورودی ADC می تواند هر مقدار فیزیکی باشد - ولتاژ، جریان، مقاومت، ظرفیت خازنی، نرخ تکرار پالس، زاویه چرخش شفت و غیره. با این حال، برای قطعیت، در آینده با ADC فقط مبدل های ولتاژ به کد را درک خواهیم کرد.

مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال ارتباط نزدیکی با مفهوم اندازه گیری دارد. اندازه گیری به عنوان فرآیند مقایسه مقدار اندازه گیری شده با برخی استانداردها درک می شود، با تبدیل آنالوگ به دیجیتال، مقدار ورودی با مقداری مرجع (معمولاً با یک ولتاژ مرجع) مقایسه می شود. بنابراین تبدیل آنالوگ به دیجیتال را می توان به عنوان اندازه گیری مقدار سیگنال ورودی در نظر گرفت و تمام مفاهیم مترولوژی مانند خطاهای اندازه گیری در مورد آن اعمال می شود.

ویژگی های اصلی ADC

ADC ویژگی های زیادی دارد که فرکانس تبدیل و عمق بیت را می توان اصلی ترین آنها نامید. فرکانس تبدیل معمولا بر حسب نمونه در ثانیه (SPS) بیان می شود، عمق بیت بر حسب بیت است. ADC های مدرن می توانند عمق بیت تا 24 بیت و نرخ تبدیل تا واحدهای GSPS (البته نه به طور همزمان) داشته باشند. هرچه سرعت و عمق بیت بیشتر باشد، به دست آوردن ویژگی های مورد نیاز دشوارتر است، مبدل گران تر و پیچیده تر است. سرعت تبدیل و عمق بیت به طریق خاصی با یکدیگر مرتبط هستند و می توانیم با فدا کردن سرعت، عمق بیت تبدیل موثر را افزایش دهیم.

انواع ADC

انواع مختلفی از ADC وجود دارد، اما در این مقاله تنها به بررسی انواع زیر اکتفا می کنیم:

• تبدیل موازی ADC (تبدیل مستقیم، ADC فلش)
• ADC تقریبی متوالی (SAR ADC)
• دلتا سیگما ADC (ADC متعادل با شارژ)

ADCهای تبدیل مستقیم (موازی) بالاترین عملکرد و کمترین عمق بیت را دارند. به عنوان مثال، ADC تبدیل موازی TLC5540 از Texas Instruments دارای سرعت 40MSPS با عرض بیت تنها 8 بیت است. ADC از این نوعمی تواند نرخ تبدیل تا 1 GSPS داشته باشد. در اینجا می توان به این نکته اشاره کرد که ADC های خط لوله (ADC های لوله کشی) سرعت بیشتری دارند، اما ترکیبی از چندین ADC با سرعت کمتر هستند و بررسی آنها از حوصله این مقاله خارج است.

طاقچه میانی در سری بیت-سرعت توسط ADC های تقریبی متوالی اشغال شده است. مقادیر معمولی 12-18 بیت با نرخ تبدیل 100KSPS-1MSPS هستند.

بالاترین دقت توسط ADCهای سیگما-دلتا با عمق بیت تا 24 بیت و سرعت از واحدهای SPS تا واحدهای KSPS به دست می‌آید.

نوع دیگری از ADC که در گذشته اخیر مورد استفاده قرار گرفته است ADC یکپارچه کننده است. ADC های یکپارچه در حال حاضر تقریباً به طور کامل با انواع دیگر ADC جایگزین شده اند، اما می توان آنها را در ابزارهای اندازه گیری قدیمی تر یافت.

ADC تبدیل مستقیم

ADCهای تبدیل مستقیم در دهه 1960 و 1970 گسترده شدند و در دهه 1980 به عنوان مدارهای مجتمع تولید شدند. آنها اغلب به عنوان بخشی از ADCهای "خط لوله" استفاده می شوند (در این مقاله در نظر گرفته نشده است) و دارای ظرفیت 6-8 بیت با سرعت حداکثر 1 GSPS هستند.

معماری ADC تبدیل مستقیم در شکل نشان داده شده است. یکی

برنج. 1. نمودار ساختاری ADC تبدیل مستقیم

اصل عملکرد ADC بسیار ساده است: سیگنال ورودی به طور همزمان به تمام ورودی های "مثبت" مقایسه کننده ها تغذیه می شود و ورودی های "منفی" با یک سری ولتاژ به دست آمده از مرجع با تقسیم بر مقاومت های R تامین می شود. برای مدار در شکل. 1 این ردیف خواهد بود: (1/16، 3/16، 5/16، 7/16، 9/16، 11/16، 13/16) Uref، که در آن Uref ولتاژ مرجع ADC است.

بگذارید ولتاژی برابر با 1/2 Uref به ورودی ADC اعمال شود. سپس 4 مقایسه کننده اول کار می کنند (اگر از زیر بشمارید) و موارد منطقی در خروجی آنها ظاهر می شوند. رمزگذار اولویت یک کد باینری از "ستون" واحدها تشکیل می دهد که توسط رجیستر خروجی ثابت می شود.

اکنون مزایا و معایب چنین مبدلی مشخص می شود. همه مقایسه کننده ها به صورت موازی کار می کنند، زمان تاخیر مدار برابر است با زمان تاخیر در یک مقایسه کننده به اضافه زمان تاخیر در انکودر. مقایسه کننده و رمزگذار را می توان بسیار سریع ساخت و در نتیجه کل مدار سرعت بسیار بالایی دارد.

اما برای دریافت N بیت، به مقایسه کننده های 2^N نیاز دارید (و پیچیدگی رمزگذار نیز به اندازه 2^N افزایش می یابد). طرح در شکل 1. شامل 8 مقایسه کننده و دارای 3 رقم است، برای به دست آوردن 8 رقم به 256 مقایسه کننده نیاز دارید، برای 10 رقم - 1024 مقایسه کننده، برای یک ADC 24 بیتی آنها به بیش از 16 میلیون نیاز دارند، اما فناوری هنوز به چنین ارتفاعی نرسیده است.

تقریب متوالی ADC

مبدل آنالوگ به دیجیتال ثبت تقریب متوالی (SAR) بزرگی سیگنال ورودی را با انجام یک سری "وزن دهی" متوالی اندازه گیری می کند، یعنی مقایسه مقدار ولتاژ ورودی با یک سری از بزرگی های تولید شده به شرح زیر:

1. در مرحله اول، مقداری برابر با 1/2Uref در خروجی مبدل داخلی دیجیتال به آنالوگ تنظیم می شود (از این پس فرض می کنیم که سیگنال در بازه (0 - Uref) باشد.

2. اگر سیگنال بزرگتر از این مقدار باشد، آنگاه با ولتاژی که در وسط بازه باقیمانده قرار دارد، مقایسه می شود، یعنی در این مورد، 3/4Uref. اگر سیگنال کمتر از سطح تنظیم شده باشد، مقایسه بعدی با کمتر از نیمی از بازه باقیمانده (یعنی با سطح 1/4Uref) انجام خواهد شد.

3. مرحله 2 N بار تکرار می شود. بنابراین، مقایسه N ("وزنینگ") N بیت از نتیجه را تولید می کند.

برنج. 2. نمودار ساختاری تقریب متوالی ADC.

بنابراین، تقریب متوالی ADC از گره های زیر تشکیل شده است:

1. مقایسه کننده. مقدار ورودی و مقدار فعلی ولتاژ "وزن" را مقایسه می کند (که با یک مثلث در شکل 2 نشان داده شده است).

2. مبدل دیجیتال به آنالوگ (تبدیل دیجیتال به آنالوگ، DAC). این یک مقدار ولتاژ وزنی را بر اساس کد دیجیتال دریافت شده در ورودی تولید می کند.

3. ثبت تقریب متوالی (SAR). این الگوریتم تقریب متوالی را پیاده سازی می کند و مقدار فعلی کد وارد شده به ورودی DAC را تولید می کند. کل معماری ADC به نام آن نامگذاری شده است.

4. طرح نگهداری نمونه (Sample/Hold, S/H). برای عملکرد این ADC، مهم است که ولتاژ ورودی در طول کل چرخه تبدیل ثابت بماند. با این حال، سیگنال های "واقعی" در طول زمان تغییر می کنند. مدار نمونه گیری و نگه داشتن مقدار فعلی سیگنال آنالوگ را "به خاطر می آورد" و آن را در تمام چرخه دستگاه بدون تغییر نگه می دارد.

مزیت دستگاه سرعت تبدیل نسبتاً بالایی است: زمان تبدیل یک N-bit ADC N چرخه است. دقت تبدیل توسط دقت DAC داخلی محدود شده است و می تواند 16-18 بیت باشد (اکنون ADC SARهای 24 بیتی ظاهر می شوند، به عنوان مثال، AD7766 و AD7767).

دلتا سیگما ADC

در نهایت، جالب‌ترین نوع ADC، ADC سیگما-دلتا است که گاهی اوقات در ادبیات به عنوان ADC متعادل شارژ نامیده می‌شود. بلوک دیاگرام ADC سیگما-دلتا در شکل نشان داده شده است. 3.

شکل 3. نمودار ساختاری سیگما-دلتا ADC.

اصل عملکرد این ADC تا حدودی پیچیده تر از سایر انواع ADC است. ماهیت آن این است که ولتاژ ورودی با مقدار ولتاژ انباشته شده توسط یکپارچه مقایسه می شود. پالس هایی با قطب مثبت یا منفی بسته به نتیجه مقایسه به ورودی انتگرالگر وارد می شوند. بنابراین، این ADC یک سیستم ردیابی ساده است: ولتاژ در خروجی یکپارچه ساز، ولتاژ ورودی را "ردیابی" می کند (شکل 4). نتیجه این مدار یک جریان صفر و یک در خروجی مقایسه کننده است که سپس از یک فیلتر پایین گذر دیجیتال عبور داده می شود و نتیجه N-bit است. LPF در شکل. 3. همراه با "دسیماتور"، وسیله ای که با "رقیق کردن" آنها، فرکانس قرائت ها را کاهش می دهد.

برنج. 4. Sigma-delta ADC به عنوان یک سیستم ردیابی

برای دقت، باید گفت که در شکل 1. 3 یک بلوک دیاگرام از یک سیگما دلتا ADC مرتبه اول است. یک سیگما-دلتا ADC مرتبه دوم دارای دو یکپارچه کننده و دو حلقه بازخورد است، اما در اینجا مورد بحث قرار نخواهد گرفت. علاقه مندان به این موضوع می توانند مراجعه کنند.

روی انجیر 5 سیگنال ها را در ADC در سطح صفر در ورودی (بالا) و در سطح Vref / 2 (پایین) نشان می دهد.

برنج. 5. سیگنال ها در ADC در سطوح مختلفسیگنال ورودی.

اکنون، بدون پرداختن به تحلیل پیچیده ریاضی، بیایید سعی کنیم بفهمیم چرا ADC های سیگما-دلتا سطح بسیار پایینی از خود نویز دارند.

بلوک دیاگرام مدولاتور سیگما-دلتا نشان داده شده در شکل را در نظر بگیرید. 3، و آن را به این شکل ارائه دهید (شکل 6):

برنج. 6. نمودار ساختاری مدولاتور سیگما-دلتا

در اینجا، مقایسه کننده به عنوان یک جمع کننده نشان داده می شود که یک سیگنال مفید مداوم و نویز کوانتیزاسیون را جمع می کند.

اجازه دهید انتگرالگر یک تابع انتقال 1/s داشته باشد. سپس، با نشان دادن سیگنال مفید به عنوان X(s)، خروجی مدولاتور سیگما مثلث به عنوان Y(s)، و نویز کوانتیزاسیون به صورت E(s)، تابع انتقال ADC را به دست می آوریم:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

یعنی در واقع مدولاتور سیگما دلتا یک فیلتر است فرکانس های پایین(1/(s+1)) برای سیگنال مفید و فیلتر فرکانس های بالا(s/(s+1)) برای نویز، با هر دو فیلتر فرکانس قطع یکسانی دارند. نویز متمرکز در ناحیه فرکانس بالا طیف به راحتی توسط یک فیلتر پایین گذر دیجیتال که بعد از مدولاتور قرار دارد حذف می شود.

برنج. 7. پدیده «جابجایی» نویز در قسمت فرکانس بالا طیف

با این حال، باید درک کرد که این یک توضیح بسیار ساده از شکل دهی نویز در یک ADC سیگما-دلتا است.

بنابراین، مزیت اصلی سیگما-دلتا ADC دقت بالا به دلیل سطح بسیار کم نویز ذاتی است. با این حال، برای دستیابی به دقت بالا، لازم است که فرکانس قطع فیلتر دیجیتال تا حد امکان پایین باشد، چندین برابر فرکانس مدولاتور سیگما-دلتا. بنابراین، ADC های سیگما-دلتا دارند سرعت کمتحولات

آنها را می توان در فن آوری صوتی استفاده کرد، اما استفاده اصلی در اتوماسیون صنعتی برای تبدیل سیگنال های حسگر، در ابزار اندازه گیری، و در کاربردهای دیگر است که در آن دقت بالا مورد نیاز است. اما لازم نیست سرعت بالا.

کمی تاریخ

قدیمی ترین مرجع ADC در تاریخ احتمالاً پتنت پل ام. رینی، "سیستم تلگراف فکس"، U.S. پتنت 1,608,527، ثبت شده در 20 ژوئیه 1921، صادر شده در 30 نوامبر 1926. دستگاهی که در پتنت نشان داده شده است در واقع یک ADC تبدیل مستقیم 5 بیتی است.

برنج. 8. اولین اختراع ADC

برنج. 9. تبدیل مستقیم ADC (1975)

دستگاه نشان داده شده در شکل یک ADC MOD-4100 تبدیل مستقیم است که توسط آزمایشگاه های کامپیوتری ساخته شده و در سال 1975 ساخته شده است و بر اساس مقایسه کننده های گسسته مونتاژ شده است. 16 مقایسه کننده وجود دارد (آنها در یک نیم دایره قرار گرفته اند تا تاخیر انتشار سیگنال را به هر مقایسه کننده برابر کنند)، بنابراین عرض بیت ADC تنها 4 بیت است. نرخ تبدیل 100 MSPS، مصرف برق 14 وات.

شکل زیر یک نسخه پیشرفته از ADC تبدیل مستقیم را نشان می دهد.

برنج. 10. تبدیل مستقیم ADC (1970)

VHS-630 1970 که توسط آزمایشگاه های کامپیوتری تولید شد، دارای 64 مقایسه کننده، 6 بیتی، 30MSPS و مصرف 100 وات بود (VHS-675 1975 دارای 75 MSPS و مصرف 130 وات بود).

ادبیات

دبلیو کستر. ADC Architectures I: The Flash Converter. دستگاه های آنالوگ، آموزش MT-020.

استیو لوگان (Maxim Integrated)

فراوانی مبدل های مدرن آنالوگ به دیجیتال (ADC) توسعه دهنده را در مقابل انتخابی دشوار قرار می دهد.

ADC های مجتمع دارای وضوح 8 ... 24 بیت هستند و حتی چندین 32 بیتی نیز وجود دارد. ADCها در میکروکنترلرها، FPGAها، ریزپردازنده‌ها، سیستم‌های روی یک تراشه، ADC‌های تقریبی متوالی (SAR) و نسخه‌های سیگما-دلتا تعبیه شده‌اند. ADC های خط لوله در برنامه هایی استفاده می شوند که بالاترین نرخ نمونه مورد نیاز است. نرخ نمونه ADC از 10 S/s تا بیش از 10 GS/s متغیر است. و محدوده قیمت از کمتر از 1 دلار تا 265 دلار و بیشتر است.

برای انتخاب بهترین ADC برای برنامه خود، در نظر بگیرید انواع متفاوتاز این محصولات و شرایط بهینه استفاده برای انواع اصلی آنها.

ADC تقریبی متوالی - برای سرعت های متوسط ​​و ضبط داده

ADCهای ثبت تقریب متوالی (SAR) در طیف گسترده ای از وضوح و سرعت در دسترس هستند. اولی، به عنوان یک قاعده، در محدوده 6 ... 8 تا 20 بیت قرار دارد، در حالی که دومی - از چندین Ksa/s تا 10 Msa/s. SAR ADC انتخاب خوبی برای کاربردهای سرعت متوسط ​​مانند کنترل موتور، تجزیه و تحلیل لرزش، نظارت بر فرآیند است. آنها به اندازه ADC های خط لوله شده سریع نیستند (در زیر بحث می شود)، اما سریعتر از ADC های سیگما-دلتا هستند (همچنین در زیر بحث شده است).

محدوده اتلاف توان ADC SAR مستقیماً با نرخ نمونه برداری مرتبط است. به عنوان مثال، یک آی سی که 5 میلی وات را با سرعت 1 MS/s پراکنده می کند، 1 میکرووات را در 1 kSa/s پراکنده می کند. بنابراین، ADC های SAR از نظر کاربرد کاملاً انعطاف پذیر هستند و یک توسعه دهنده می تواند از یک نام برای بسیاری از برنامه ها استفاده کند.

یکی دیگر از مزایای ADC های SAR این است که از سیگنال ورودی آنالوگ "عکس" می گیرند. نمونه های معماری SAR در یک نقطه خاص از زمان. چه زمانی ممکن است یک توسعه دهنده به آن نیاز داشته باشد؟ هنگامی که نیاز به اندازه گیری چندین سیگنال در یک زمان دارید، می توانید چندین ADC SAR تک کاناله را به طور همزمان نمونه برداری کنید، یا به طور همزمان با یک ADC چند کانالی یا دستگاه های نمونه برداری ذخیره سازی چندگانه (SHA، Track-and-hold، T/H-cores) نمونه برداری کنید. درون آن این به سیستم اجازه می دهد تا چندین سیگنال آنالوگ را به طور همزمان اندازه گیری کند.

در ترانسفورماتورهای جریان و ترانسفورماتورهای ولتاژ از ADC های SAR در مدارهای حفاظت رله استفاده می شود. با کمک آنها، سیستم حفاظتی به طور همزمان فازهای مختلف جریان و ولتاژ را اندازه گیری می کند. در اقتصاد شبکه ابزار، این به موارد بیشتری کمک می کند حکومتداری خوبشبکه های انرژی

Sigma-delta ADC - برای دقت بیشتر

اگر به دقت بیشتر از طریق نمونه برداری بالاتر یا حداکثر بیت های موثر (ENOB) نیاز دارید، ADC سیگما-دلتا بهترین انتخاب است، به ویژه برای کاربردهای کم نویز و دقیق. هنگامی که سرعت آنقدر مهم نیست، نمونه برداری بیش از حد و شکل دهی نویز در ADC سیگما-دلتا دقت بسیار بالایی را ارائه می دهد.

زمانی که 5 تا 10 سال پیش بازار ADC تقریبی متوالی شروع به اشباع شدن کرد، بسیاری از شرکت‌های آنالوگ روی هسته‌های سیگما دلتا چند کاناله سرمایه‌گذاری کردند. نتیجه امروزی این فرآیند، ADC های بسیار با کیفیت با عمق بیت تا 24 یا 32 بیت و نرخ نمونه برداری از 10 S/s تا 10 MS/s است.

چه برنامه هایی ممکن است به وضوح بیش از 20 بیت نیاز داشته باشند؟ نمونه ای از برنامه هایی که در آن دقت در سطح حداکثر تعداد بیت ممکن به عنوان استاندارد مورد نیاز است - ابزار اندازه گیریو کروماتوگرافی سوختی برای صنعت نفت و گاز. و همچنین سایر برنامه های کاربردی سیستمی که استانداردی را در ارزیابی دقت سیگنال های آنالوگ تعیین می کنند، برنامه هایی که کاربران نهایی باید به داده هایی که دریافت می کنند اطمینان کامل داشته باشند.

آیا به مدولاتور نیاز دارید؟

طبقه بندی آخرین ADC های سیگما-دلتا از نظر سرعت و نرخ نمونه دشوار شده است. ADC های سنتی سیگما دلتا تمام پردازش های دیجیتالی پس از پردازش را در داخل انجام می دادند (از جمله فیلترهای SINC/cut، decimation، شکل دهی نویز). پس از آن، داده ها به صورت متوالی به خارج با ENOB (تعداد موثر بیت - تعداد موثر بیت) بسیار بالا صادر شد. به عنوان مثال، اگر شما یک ADC 24 بیتی داشتید، خروجی در فرمت 24 بیتی بود. بیت اول مهم ترین بیت (MSB) و بیت 24 کم اهمیت ترین بیت (LSB) بود. نرخ خروجی داده در حالت معمول برابر با فرکانس ساعت سیستم تقسیم بر 24 بود. اینها سریعترین یا انعطاف پذیرترین ADCها نبودند.

در 5 تا 10 سال گذشته، مدولاتورهای سیگما-دلتا محبوبیت بیشتری پیدا کرده اند، به ویژه در برنامه هایی که به سرعت بالاتری نیاز دارند (اغلب حدود 1 Msa/s یا بیشتر). بدون انتظار برای دیجیتالی شدن کامل خروجی 24 بیتی، مدولاتور سیگما-دلتا جریان داده را ذره ذره خروجی می دهد و وظیفه فیلتر دیجیتال را برای تجزیه و تحلیل بیشتر داده ها به شانه های پردازنده یا FPGA منتقل می کند.

این انعطاف‌پذیری مدولاتور برای کاربردهایی مانند کنترل موتور مفید است، جایی که ممکن است ۱۲ تا ۱۶ بیت کافی باشد. اگر 16 بیت اول دقت اندازه‌گیری آنالوگ کافی را ارائه می‌دهند، ممکن است کنترل‌کننده موتور به 8 بیت کم‌اهمیت یک جریان داده 24 بیتی نیاز نداشته باشد.

ADC های سریال در مقابل سیگما دلتا: سرعت مهم است

یکی دیگر از موضوعات مهم برای بحث فیلترهای ورودی است. به یاد بیاورید که معماری سریال ADC به شما امکان می دهد یک فریم سریع بسازید. هنگامی که یک برنامه به نرخ نمونه برداری بالاتری نیاز دارد، فیلتر ورودی پیچیده تر می شود. سپس، در بسیاری از موارد، یک بافر یا تقویت کننده خارجی برای "راه اندازی" خازن ورودی و کاهش سریع نوسانات مورد نیاز است و این تقویت کننده باید دارای پهنای باند کافی باشد. شکل 1 نمونه ای از فعال کردن ADC سریال 16 بیتی MAX11166 500kS/s را نشان می دهد. هر چه عمق بیت بیشتر و نرخ نمونه برداری بیشتر باشد، زمان لازم برای مطابقت با ورودی و خواندن صحیح داده ها کمتر می شود.

شکل 1 از یک تقویت کننده MAX9632 با بهره 55 مگاهرتز و یک فیلتر RC ساده استفاده می کند. این تقویت کننده خاص نویز کمتر از 1 nV/√Hz را به دست می آورد و در نتیجه وضوح سیستم بیت موثر 1/10 دسی بل را به همراه دارد.

در مقایسه با ADC های تقریبی متوالی، داده های ورودی سیگما-دلتا ADC بارها خوانده می شود، بنابراین الزامات فیلتر ضد آلیاسینگ چندان حیاتی نیست. یک فیلتر RC ساده اغلب کافی است. شکل 2 نمونه ای از اتصال را برای MAX11270 64 kSa/s 24 بیتی Sigma-Delta ADC نشان می دهد. این پل به اصطلاح Wheatstone با یک خازن 10nF متصل بین ورودی های دیفرانسیل است.

ADC های خط لوله - برای نرخ نمونه برداری فوق العاده بالا

در این مقاله قبلاً ADC های خط لوله را به عنوان مورد تقاضا برای به دست آوردن بالاترین نرخ نمونه برداری ذکر کرده ایم، به عنوان مثال، در برنامه های RF و رادیو بی سیم SDR با وظیفه برنامهفرکانس ها

در طول 10 سال گذشته، بزرگترین تولید کنندگان تراشه های آنالوگبه طور فعال در توسعه ADC های خط لوله سرمایه گذاری کرد. دو مزیت اصلی ADC های خط لوله سرعت و قدرت است. با نرخ های نمونه از 10 MS/s تا چندین GS/s، انتخاب رابط ها برای این محصولات حیاتی می شود. انتظار می رود یک "نبرد بزرگ" در مورد خروجی های دیجیتال ADC های خط لوله انجام شود. تا به حال، یک رابط موازی به عنوان اصلی پیشنهاد شده است، اما یک رابط LVDS سریال نیز کاملا مناسب است، به عنوان مثال، برای برنامه های اولتراسونیک با تعداد کانال های زیاد و نرخ نمونه برداری در محدوده 50...65 Msa. /s. با این حال، انواع جدیدی از رابط ها در حال حاضر وجود دارد.

رابط سریال JESD204B

JESD204B یک سرعت بالا است رابط سریالبا انتقال اطلاعات تا 12.5 گیگابیت بر ثانیه. نسبتاً اخیراً ظاهر شد، به سازندگان ADC اجازه داد تا نرخ نمونه برداری را به میزان قابل توجهی افزایش دهند و سازندگان پردازنده و FPGA با فرستنده گیرنده های سریال خود از این روش پیروی کردند.

در یک برنامه چند کاناله با چندین ADC که به صورت موازی متصل هستند، اتصالات گیج کننده بین ADC و FPGA/CPU یک مشکل است. با رابط JESD204B، تعداد خطوط داده تا حد زیادی کاهش می یابد و در نتیجه فضای برد ذخیره می شود. شکل 3 یک جفت خروجی سریال و یک ورودی ساعت را در این رابط نشان می دهد که تعداد پین های ورودی/خروجی مورد نیاز را تا حد زیادی کاهش می دهد.

مصرف برق ADC های خط لوله

با افزایش کوچک سازی محصول، تولیدکنندگان پیشرو ADC به طور فزاینده ای در تلاش برای کاهش مصرف برق هستند. عملکرد خوب - 1 میلی وات در هر 1 Msa/s. اگر عملکرد ADC شما نزدیک به این باشد، در هنگام ایجاد یک پروژه باید چیزی را روی آن بسازید.

ADC های بهینه شده برای میکروکنترلرها، FPGA ها، CPU ها و سیستم های روی یک تراشه

ADC های ساخته شده در ریز مدارها، به عنوان یک قاعده، پربازده ترین نیستند. در ابتدا، زمانی که یک ADC 12 بیتی در تراشه تعبیه شد، فرض بر این بود که برای بدست آوردن مقادیر تضمین شده برای تعداد موثر بیت ها (ENOB) یا خطی بودن، مانند یک 8 بیتی کار می کند. برای دستیابی به عملکرد مطلوب ADC، کاربر باید پارامترهای مشخصات کامل را به دقت مطالعه کند و تعیین کند که کدام یک از آنها باید مقادیر تضمین شده داشته باشند. با این حال، اغلب فقط ویژگی های استاندارد یا حداقل و حداکثر مقادیرپارامترها از مشخصات مختصر

اخیراً ویژگی‌های ADC مانند غیرخطی بودن انتگرال (INL)، غیرخطی بودن دیفرانسیل (DNL)، ​​خطای بهره و تعداد مؤثر بیت‌ها (ENOB) بسیار بهبود یافته‌اند و امکان ادغام فعال‌تر ADCها در میکروکنترلرها و تعداد ریزمدارها با ADC داخلی به طور قابل توجهی افزایش یافته است. در حال حاضر، اگر برنامه ای نیاز به تبدیل با وضوح 12 بیت یا کمتر یا تنها چند کانال تبدیل داشته باشد، یک میکروکنترلر اقتصادی ترین راه حل است.

فروشندگان FPGA همچنین شروع به تعبیه ADC در سیستم های خود کرده اند. مثلا یک شرکت Xilinxدارای یک ADC 12 بیتی 1 MSa/s در همه سری 7 FPGA و Zynq SoC. با این حال، محل ADC روی برد بسیار مهم است. یک ماژول پردازنده FPGA یا سیستم روی یک تراشه ممکن است در فاصله قابل توجهی از ورودی آنالوگ قرار گیرد، که معمولاً ممکن است روی یک برد جداگانه که از طریق یک گذرگاه دیجیتال پرسرعت به برد پردازنده متصل است، قرار گیرد. اگر نمی‌خواهید سیگنال‌های آنالوگ حساس را در معرض این آزمایش قرار دهید، ADC تعبیه‌شده در پردازنده یا FPGA انتخاب شما نیست. در این صورت قطعا به یک ADC با کیفیت بالا نیاز خواهید داشت. به عنوان مثال، برای کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC)، این به احتمال زیاد یک ADC سیگما دلتا 24 بیتی است.

اگر در مورد PLC صحبت می کنیم، باید به عنصر مهمی مانند عایق اشاره کنیم. اکثر ورودی های آنالوگ PLC شامل نوعی ایزوله هستند، معمولا دیجیتال. بسیاری از ماژول های ورودی آنالوگ حاوی میکروکنترلرهای ارزان قیمت برای پاسخ سریع و وقفه هستند. در این مورد، محل جداسازی تعیین می کند که آیا ADC داخلی باید استفاده شود یا خیر. اگر ایزوله بین پردازنده (یا میکروکنترلر) و گذرگاه قرار داشته باشد، ADC داخلی مناسب است. اگر میکروکنترلر باید از ورودی های ولتاژ بالا جدا شود، پس بهترین راه حلیک ADC یکپارچه و یک جداکننده دیجیتال هستند.

بهترین انتخاب چیست؟

ما چندین ویژگی ADC های مدرن را مورد بحث قرار داده ایم. سرعت، قدرت و دقت سیگنال هایی که اندازه گیری می کنید چقدر مهم است؟

اگر برای مصارف خانگی به خواندن‌های ساده و با وضوح پایین نیاز دارید، ADC‌های تعبیه‌شده در یک میکروکنترلر، FPGA، پردازنده یا سیستم روی تراشه ADC به احتمال زیاد می‌توانند این کار را انجام دهند. اگر سرعت برنامه شما کم است (ورودی آنالوگ نزدیک به جریان مستقیمبه عنوان مثال یک سیگنال دما به آرامی در حال تغییر)، یک ADC سیگما-دلتا بهترین انتخاب است. اگر سیگنال ورودی به اندازه کافی سریع تغییر کند، همانطور که در مورد تجزیه و تحلیل ارتعاشات موتوری که در حدود 1000 دور در دقیقه کار می کند، ADC سریال (SAR) بهترین گزینه است. اگر یک برنامه باید سریع ترین سیگنال های آنالوگ موجود را در حال تغییر اندازه گیری کند، پس بهترین انتخاب- ADC خط لوله.

عبارت اصلی که در فرآیند انتخاب ADC نباید فراموش کنید این است که "بستگی دارد ...". اگر توسعه دهنده هستید مدارهای دیجیتالیا یک متخصص منبع تغذیه در مورد انتخاب ADC مناسب گیج شده است - خواهید آموخت دستورالعمل های دقیق. ADCها ریزمدارهای پیچیده ای با تفاوت های ظریف هستند که نیازمند مطالعه دقیق دیتاشیت و کیت های اشکال زدایی هستند. جدول 1 حداقل و حداکثر پارامترهای ADC های موجود در بازار را نشان می دهد. این تصویر واقعی است امروز. چه کسی می داند که در سال های آینده چگونه تغییر خواهد کرد؟

جدول 1. محدوده عملکرد ADC معمولی

* – سرعت خروجی مدولاتور

با جایگزینی مقایسه کننده ها در ساختار ADC با وزن مستقیم با تقویت کننده های خطی و مقایسه ولتاژهای خروجی هر کدام با یک سری مقایسه کننده با ولتاژهای مرجع چندگانه، امپدانس ورودی را می توان افزایش داد. درست است، در این حالت، تعداد مقایسه کننده ها و گیت های منطقی در مدار رمزگشایی کاهش نخواهد یافت.

هیولت پاکارد ثبت اختراع شد روش جدید، رمزگشایی آنالوگ نامیده می شود و از نظر تئوری فقط اجازه می دهد تا N مقایسه کننده، لچ و گیت XOR برای تبدیل N-bit آنالوگ به دیجیتال استفاده شود.

این روش بر اساس استفاده از مدارهای رمزگشایی آنالوگ است که در چندین سطح کار می کنند، برخلاف مقایسه کننده های معمولی که در یک سطح کار می کنند.

2.4. کدگذاری خروجی

در یک ADC با وزن مستقیم، خروجی مقایسه کننده هایی که ولتاژ مرجع آنها کمتر از سیگنال ورودی است، در حالت 1 و آنهایی که ولتاژ مرجع آنها بزرگتر از ورودی است، در حالت 0 هستند. بر اساس قیاس با دماسنج جیوه ای، چنین کد خروجی دماسنجی نامیده می شود. هنگامی که سیگنال ورودی تغییر می کند، وضعیت تنها یک مقایسه کننده در یک زمان تغییر می کند. با این حال، لحظات عملکرد دومی و رسیدن پالس‌های ساعت تریگرهای لچ مستقل هستند، که در نسبت‌های معینی از تأخیرهای این عناصر، می‌تواند منجر به بروز ناپایداری در کد خروجی ADC شود که به آن جرقه می‌گویند. کد». یکی از راه‌های مبارزه با این پدیده، ساخت یک دستگاه رمزگشایی با استفاده از کد خاکستری است که در آن حالت تنها یک بیت می‌تواند در هر لحظه تغییر کند.

2.5. عملکرد تشخیص اوج

به منظور نوشتن قطعه بزرگی از سیگنال در حافظه محدود موجود در دستگاه، نرخ نمونه برداری باید نسبت به حداکثر ممکن کاهش یابد. در این حالت، انفجارهای کوتاه سیگنال ممکن است از دست برود. برای جلوگیری از این پدیده می توانید از تکنیک زیر استفاده کنید. نرخ نمونه برداری همیشه حداکثر است. نتیجه هر کدام نمونه نهم، که N ضریب تقسیم فرکانس نمونه برداری است. برای برجسته کردن حداکثر ولتاژ مثبت بین رکوردها، مقدار نمونه فعلی به طور مداوم با نمونه قبلی مقایسه می شود و نمونه بزرگتر ذخیره می شود. به طور مشابه، حداکثر ولتاژ منفی تخصیص داده می شود. چنین دستگاه های "هوشمندی" با استفاده از الگوریتم بازگشتی توصیف شده، در برخی از اسیلوسکوپ های دیجیتال جدید ساخته شده اند. به عنوان مثال، اسیلوسکوپ HP54800 Hewlett-Packard می تواند پالس هایی را تا 500 ps ذخیره کند، که مطابق با نرخ نمونه برداری 2 گیگاهرتز است.

برنج. 1. نمودار ساختاری ADC وزن مستقیم "کلاسیک".

برنج. 2. ساختار درونیابی ADC با وزن مستقیم

با الگوریتم توصیف شده، حداقل مدت زمان پالس انتخاب شده با زمان چرخه تبدیل کامل ADC محدود می شود، که بخش قابل توجهی از آن صرف تبدیل کد خروجی خط مقایسه به سیگنال خروجی با استفاده از یک چند مرحله ای می شود. نمودار منطقی. با تغییر مدار منطقی ADC، تاخیر دومی را می توان به تاخیر یک لچ کاهش داد. ساختار چنین پیک آشکارساز دیجیتال Raytheon TDC1035 در شکل نشان داده شده است. 3 . تفاوت آن با "کلاسیک" (شکل 1) در این است که به جای فلیپ فلاپ های D دروازه ای، در اینجا از فلیپ فلاپ های RS استفاده می شود که بلافاصله پس از رسیدن سیگنال مقایسه کننده مربوطه شلیک می کنند و تا زمانی که در این حالت باقی می مانند. پالس تنظیم مجدد می رسد. کد خروجی "ترمومتریک" خط RS-flip-flop نشان دهنده کد مقدار پیک سیگنال است. زمان تبدیل آن به فرم استاندارد دیگر محدودیت سختی ندارد. این ADC مبتنی بر فناوری نسبتاً قدیمی است و دارای مدت زمان ضربان تضمین شده 30 ns است که با دقت کامل 8 بیت اندازه گیری می شود.

برنج. شکل 3. نمودار ساختاری آشکارساز پیک با وزن مستقیم ADC Raytheon TDC1035

3. نوع خط لوله ADC (Pipeline)

همانطور که در بالا ذکر شد، حداکثر عرض بیت یک ADC با وزن مستقیم 10 است. برای افزایش وضوح، باید از ساختارهای دیگری استفاده شود. بسیاری از ADC های پرسرعت امروزی از گره هایی تشکیل شده اند که به طور متوالی سیگنال را در چندین سیکل ساعت سیگنال نمونه پردازش می کنند. در این حالت فرکانس وقوع کدهای خروجی برابر با فرکانس سیگنال نمونه است. به آنها ADC خط لوله می گویند.

3.1. خط لوله درشت ADC (Subranging)

در عین حال، در حال حاضر رایج ترین روش این است که ابتدا گروهی از ارقام با مرتبه بالا را به شکل دیجیتال (تبدیل درشت) تبدیل کنید. با کمک DAC کد دریافتی به سیگنال آنالوگ تبدیل می شود که از ورودی کم می شود. ولتاژ دیفرانسیل تقویت شده و به ADC تغذیه می شود که گروه ارقام مرتبه پایین (تبدیل دقیق) را تبدیل می کند. تعداد چنین تبدیل‌های پالایشی، و در نتیجه آبشارها، می‌تواند بسیار زیاد باشد. ADC های مرتبه پایین و مرتبه بالا به طور همزمان کار می کنند و نمونه های دریافتی را به صورت متوالی پردازش می کنند. این دستگاه می تواند از ADC های داخلی ساخته شده بر اساس اصول مختلف استفاده کند - وزن مستقیم یا، به عنوان مثال، در زیر MagAmps در نظر گرفته شده است.

روی انجیر شکل 4 ساختار ADC AD9042 Subranging پیشرفته 12 بیتی دستگاه های آنالوگ را نشان می دهد که در نسخه های با نرخ نمونه برداری 60 و 41 مگاهرتز موجود است. اولین طرح واکشی و نگهداری SHA1 نمونه سیگنال را به روش معمول برای مدت زمان تبدیل ذخیره می کند. سیگنال خروجی آن توسط یک ADC تبدیل می شود که کد خروجی آن در یک ثبات بافر ذخیره می شود و همچنین برای کنترل DAC استفاده می شود. طرح نگهداری نمونه SHA2 برای جلوگیری از تأثیرگذاری عملکرد اولین ADC بر دقت قسمت بعدی دستگاه استفاده می شود. سیگنال DAC از سیگنال خروجی آن کم می شود. ولتاژ دیفرانسیل توسط مدار نمونه برداری و نگه داشتن SHA3 برای مدت زمان مورد نیاز برای کارکرد ADC دوم تقویت و ذخیره می شود. در عملکرد صحیحاز اولین ADC، خطای آن از یکی از کمترین ارقام تجاوز نمی کند. تعداد ارقام مبدل دوم به گونه ای انتخاب می شود که تعداد ارقام ADC اول و دوم یک رقم بیشتر از ظرفیت ADC به طور کلی باشد. اوربیت برای تصحیح خطای تبدیل اولین ADC استفاده می شود. برای انجام این کار، DAC باید حداقل دقت ADC به طور کلی، یعنی در این مورد، 12 بیتی داشته باشد، و تقویت کننده جمع باید دارای چنان بهره ای باشد که وزن مهم ترین رقم از ADC دوم کمتر از کمترین رقم اولی نیست. در این حالت، مدار منطقی اصلاحی که یک جمع کننده کامل است، قادر خواهد بود خطای تبدیل را به مقداری مطابق با تعداد معینی از بیت های ADC کاهش دهد. یک ویژگی خاص استفاده از یک ADC از نوع MagAmps است که به خوبی توسط شرکت تسلط دارد و برای به دست آوردن خطی بودن و سرعت بالا، یک DAC با 63 منبع جریان که ضریب وزنی هر کدام مربوط به کد خاصی است. ایده های فنی پشت این چارچوب در تعدادی دیگر از محصولات دستگاه های آنالوگ استفاده می شود.

برنج. شکل 4. نمودار ساختاری ADC خط لوله با منطق تصحیح دستگاه های آنالوگ AD9042

ADS807 ADC مورد استفاده Burr-Brown در تمام سری های ADC های پرسرعت دارای ساختاری مشابه است: ADS80X 12 بیتی (سریع ترین ADS807 - 53 مگاهرتز)، ADS82X 10 بیتی و ADS90X (سریعترین ADS824 - 70 مگاهرتز)، 8. -bit ADS83X و ADS93X (سریعترین ADS831 - 80MHz).

تمامی ADC های پرسرعت تگزاس اینسترومنتز نیز بر اساس این روش ساخته شده اند. از آنجایی که آنها از ADC های وزن مستقیم داخلی (فلش) استفاده می کنند، شرکت ساختار آنها را سامیفلش می نامد. به استثنای TLC876، همه آنها 8 بیتی هستند و از دو ADC داخلی 4 بیتی استفاده می کنند. سریعترین آنها TLV5580 است (8 بیت، 80 مگاهرتز، زمان تاخیر کد خروجی - 4.5 سیکل)، دقیقترین آنها TLC876 است (10 بیت، 20 مگاهرتز، از 5 ADC دو رقمی داخلی استفاده می کند).

3.2. چند مرحله ای با ADC های تک بیتی

یکی از نسخه های اولیه ADC خط لوله (ریپل) شامل آبشارهای یکسانی بود که به صورت سری به هم متصل می شدند. هر مرحله شامل یک تقویت کننده، یک DAC یک بیتی و یک مقایسه کننده [X] بود. سیگنال ورودی توسط مدار نگهداری نمونه به خاطر سپرده شد، وارد مقایسه‌کننده اول شد، هنگامی که راه‌اندازی شد، سیگنال DAC یک بیتی از سیگنال ورودی کم شد و 2 بار توسط تقویت‌کننده تقویت شد (برای به دست آوردن حساسیت یکسان در همه آبشارها). ) و به عنوان سیگنال تفاوت به آبشار بعدی وارد می شود. بنابراین، هر یک از آبشارها تبدیل یک بیتی آنالوگ به دیجیتال را انجام دادند. مجموعه سیگنال‌های خروجی همه مقایسه‌کننده‌ها، نتیجه تبدیل را نشان می‌دهد که توسط منطق خروجی به یک فرم استاندارد دوباره کدگذاری شد. زمان تبدیل عمدتاً با زمانی که سیگنال از تمام مراحل عبور می کرد تعیین می شد.

برنج. 5. نمودار ساختاری MagAmp ADC تک بیتی - عنصری از یک ADC خط لوله

یک ساختار خط لوله بهبود یافته که از ADC های تک بیتی ساخته شده است، تقویت کننده های بزرگ یا به اختصار MagAmps نامیده می شود، زیرا از تقویت کننده های قدر مطلق سیگنال استفاده می کند. از نام های دیگر نیز استفاده می شود. مدار معادل آبشار چنین ADC در شکل نشان داده شده است. 5. مقایسه کننده علامت ولتاژ ورودی را تعیین می کند که بر اساس آن یک بیت خروجی تولید می کند. در عین حال، علامت بهره را که با آن سیگنال وارد مرحله بعدی می شود کنترل می کند: +2 یا -2. ولتاژ مرجع VR با ولتاژ خروجی سوئیچ جمع می شود و سیگنال اختلافی را تشکیل می دهد که به مرحله بعدی تغذیه می شود. برخلاف گونه‌ای که در بالا توضیح داده شد (ریپل)، این وابستگی فقط در مشتق جهش دارد، اما جهش‌های شدیدی در دامنه ندارد که به دستیابی به سرعت تبدیل بالا کمک می‌کند. عامل اصلی که دستیابی به نرخ تبدیل بالا را ممکن می‌سازد، امکان پیاده‌سازی در ساختارهای جدید آی‌سی‌های آنالوگ با کنترل فعلی مراحل دیفرانسیل پرسرعت با اعوجاج کم و دقت تا 8 بیت بدون استفاده از بازخورد بود. برای شکل وابستگی به این ADC فولد شده (فولد شده) و برای کدگذاری خروجی به صورت کد خاکستری، ADC خاکستری متوالی نیز می گویند. به دلیل قابلیت ساخت، این سازه ها اغلب در ساخت ADC های ارزان قیمت با عملکرد خوب. به عنوان مثال، دستگاه های آنالوگ در ADC های 12 بیتی AD9042، سری AD922X تا سرعت نمونه برداری 10 مگاهرتز، نرخ نمونه دوگانه 8 بیتی AD9059 60 مگاهرتز (5 بیت مهم) و نرخ نمونه 8 بیتی AD9054 200 مگاهرتز آن (4 رقم ارشد).

4. در مورد کاربرد نمونه برداری چند فازی

هنگامی که سیگنال های نمونه گیری ناپایدار هستند، که معمولاً خود را به شکل لرزش در فاز نشان می دهند، سیگنال هایی با فرکانس متناسب با فرکانس نمونه گیری ظاهر مشخصه را نشان می دهند. اعوجاج غیر خطی، هر چه بیشتر باشد، نرخ تغییر سیگنال بیشتر می شود. اقدامات ویژه ای برای افزایش پایداری زمان بندی ساعت ها انجام می شود، به عنوان مثال، اسیلوسکوپ های جدید هیولت پاکارد از مدار شکل دهی حلقه فاز قفل شده استفاده می کنند که سیگنال ساعت بسیار پایداری را ارائه می دهد.

اغلب در ADC های پرسرعت ساخته شده بر اساس اصول مختلف، برای افزایش نرخ نمونه برداری معادل از دستگاه به عنوان یک کل، از چندین ADC به صورت موازی برای ورودی ها و نمونه هایی با تغییر زمانی نسبت به یکدیگر استفاده می شود. این روش که نمونه برداری چند فازی نامیده می شود، در صورتی که زمان ثبت (نمونه برداری) سیگنال در یک سلول ذخیره سازی فیزیکی به طور قابل توجهی کمتر از زمان رسیدن سیگنال نمونه تا ظاهر شدن سیگنال باشد، مزایای قابل توجهی در سرعت تبدیل دارد. خروجی ADC به عنوان مثال، در AD9059 که در بالا ذکر شد، مدار نگهداری نمونه داخلی دارای زمان نمونه 1 ns است و حداقل فاصله بین سیگنال های نمونه 16.7 ns است. با این حال، از این فرصت باید با احتیاط استفاده کرد. محدودیت‌های ناشی از پایداری ناکافی سیگنال‌های نمونه‌برداری و تفاوت زمان تبدیل برای ADC‌های موجود در دستگاه منجر به این واقعیت می‌شود که در حال حاضر اغلب تنها دو ADC در یک تراشه ساخته شده‌اند، مانند AD9058، یا این امکان وجود دارد. مانند اسیلوسکوپ های جدید هیولت پاکارد کاملاً رها شده است.

ادبیات

1. کاتالوگ Tektronix، 1988
2. Denbnovetsky S.V. و همکاران، اسیلوسکوپ های حافظه کاتد پرتو. مسکو، "رادیو و ارتباطات"، 1990.
3. ضرب ساعت 20X نرخ دیجیتالی کردن Scope های قابل حمل را به Hiperdrive منتقل می کند. ریچارد بی رادلوف، شرکت هیولت پاکارد.
4. ضبط دیجیتال سیگنال های ضربه ای AFI-1700. اطلاعات تکنیکیو دفترچه راهنما موسسه فیزیک هسته ای، شعبه سیبری آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی، 1994
5. 500Mpsps 8-bit Flash ADC، راهنمای طراحی آنالوگ، نسخه هفتم، Maxim Integrated Products, Inc.
6. والت کستر. نمونه برداری با سرعت بالا و ADC با سرعت بالا. تکنیک های طراحی با سرعت بالا، آنالوگ دستگاه های شرکت.
7. Winter 1999 Designer's Reference Manual, CD, Analog Devices Inc.
8. 1997 Data Book، CD، Raytheon Electronics Semiconductor Division.
9. کاتالوگ CD-ROM 1999، شرکت Burr-Brown.
10. راهنمای طراح و کتاب داده.