0 позиций в запросе!   Отправить?
Подписка на новости
Задать вопрос

    Имя *

    E-Mail *

    Компания *

    Телефон *

    Вопрос *

    Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку своих персональных данных

    Заказать образцы

      Имя *

      E-Mail *

      Телефон *

      Сайт

      Компания *

      Описание проекта *

      Образцы предоставляются под проект

      Нажимая на кнопку, вы даете согласие на
      обработку своих персональных данных и
      обратную связь со специалистами PT Electronics

      Подписка на новости

      Назад

      LTC2508: 32-разрядный АЦП с передискретизацией и подстраиваемым цифровым фильтром

      1 Сен 2017

      Авторы статьи

      Вячеслав Гульванский, slava-a-a@mail.ru Дмитрий Каплун, к. т. н., dikaplun@etu.ru Юрий Сердитов, ura-nikolaevich@yandex.ru Павел Башмаков, active@ptelectronics.ru

      (Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №1 2017)


       

      Linear Technology представила сверхвысокоточный 32-разрядный АЦП последовательного приближения LTC2508-32 (SAR). Ожидается, что данная микросхема будет успешно конкурировать с существующими высокоразрядными сигма-дельта АЦП.

      32-разрядный АЦП

      Принцип работы АЦП последовательного приближения состоит в том, что ЦАП устанавливает точку замера на половине максимальной величины шкалы и производит сравнение измеряемого напряжения с выходным напряжением ЦАП. С каждым циклом шаг сравнения уменьшается и выполняется следующее сравнение. Таким образом, уровень находится методом двоичного поиска, посредством деления пополам, то есть последовательным приближением. Практика показывает, что в задачах быстрой оцифровки данный тип АЦП оказывается существенно лучше, чем сигма-дельта АЦП, в которых для преобразования требуется 2n выборок, а, как известно, скорость преобразования является функцией разрешения, поэтому более высокое разрешение потребует более длительного времени преобразования. Кроме того, АЦП последовательного приближения имеют гораздо более чистый спектр, без характерных для сигма-дельта АЦП всплесков,и превосходный показатель интегральной нелинейности (INL) с типовым значением ±0,5 ppm (рис. 1).

      LTC2508-32

      Рис. 1. LTC2508-32 обеспечивает малое количество всплесков и превосходный
      показатель INL

      Во многих высокопроизводительных приложениях требуется повышенная точность и быстродействие. К таким приложениям относятся системы сбора и обработки данных, системы промышленного управления и медицинское оборудование. Здесь часто используются дельта-сигма АЦП высокого разрешения совместно с быстродействующим АЦП последовательного приближения. LTC2508-32 упрощает такую гибридную схему аналого-цифрового преобразования, поскольку помимо выхода с эффективным разрешением в 32 разряда, цифровой фильтрации и малого уровня шума, данная микросхема обеспечивает выход с эффективным разрешением в 14 разрядов и частотой дискретизации до 1 млн выборок/с при отсутствии задержек (рис. 2).

       LTC2508-32

      Рис. 2. LTC2508-32 обеспечивает два выхода: высокоточный, эквивалентно сигма-дельта АЦП, и скоростной, эквивалентно SAR АЦП

      Поскольку два выхода устройства формируются одним 32-разрядным ядром АЦП, их высокая точность и скорость остаются согласованными даже при значительных изменениях температуры окружающей среды, напряжения источника питания и наличии других дестабилизирующих факторов. В отличие от традиционных решений, использующих два отдельных несогласованных АЦП, схемы на основе LTC2508-32 обеспечивают большую производительность за счет высокой скорости и точности при меньших размерах и количестве внешних компонентов. Работая от одного источника питания с напряжением 2,5 В, LTC2508-32 обладает изменяемым входным диапазоном опорного напряжения ±VREF, с VREF в пределах 2,5–5,1 В и поддерживает широкий диапазон режимов 0–VREF.

      Более того, LTC2508-32 имеет встроенный настраиваемый цифровой фильтр, который обеспечивает великолепную гибкость, давая разработчикам возможность конфигурировать динамический диапазон и частоту дискретизации в диапазоне 131 dB @ 3,9 ksps — 145 dB @ 61 sps (рис. 3).

      LTC2508-32

      Рис. 3. LTC2508-32 обеспечивает возможность подстройки
      динамического диапазона и частоты дискретизации
      в зависимости от задачи с помощью встроенного
      цифрового фильтра

      LTC2508-32 одновременно поддерживает два выходных кода: 32-битный цифровой отфильтрованный код с высокой точностью и низким уровнем шума и 22-разрядный композитный код без задержки.

      Интегрированный цифровой фильтр уменьшает измерительный шум, фильтруя данные с помощью фильтра нижних частот и дискретизируя поток информации от ядра SAR АЦП, выдает отфильтрованный выходной 32-битный код; 22-битный композитный код состоит из 14-битного кода, представляющего дифференциальное напряжение, и 8-битового кода, представляющего общий режим напряжения; 22-битный композитный код доступен после каждого цикла преобразования без задержки.

      LTC2508-32 работает в два этапа. На этапе сбора данных 32-битный D/A-преобразователь перераспределения заряда конденсатора (CDAC) подключается к IN+ и IN– контактами для считывания напряжения аналогового входа. Передний фронт, подающийся на MCLK инициирует преобразование. Во время преобразования 32-битный CDAC рассчитывается с помощью алгоритма последовательных приближений, эффективно сравнивая выборочные входы с двоично-взвешенными опорными напряжениями (например, VREF/2, VREF/4… VREF/4294967296). По окончании преобразования выход CDAC аппроксимирует дискретизированный аналоговый вход. Далее АЦП передает 32-битный цифровой код входного сигнала на цифровой фильтр для дальнейшей обработки. 14-битный код, представляющий дифференциальное напряжение и 8-битный код, представляющий напряжение синфазного сигнала объединяются, чтобы сформировать 22-битный композитный код. 22-битный композитный код доступен каждый цикл преобразования без какой-либо задержки.

      LTC2508-32 оцифровывает напряжение размерностью 2 × VREF в 232 уровня, в результате чего размер LSB составляет 2,3 нВ с опорным значением 5 В. Идеальная передаточная функция представлена на рис. 4.

      Идеальная передаточная функция

      Рис. 4. Идеальная передаточная
      функция

      LTC2508-32 измеряет разность напряжений (IN+ — IN–) между этими контактами, ослабляя при этом «нежелательные» сигналы в обоих каналах по коэффициенту подавления синфазного сигнала (CMRR) АЦП. Широкий диапазон входного сигнала с общим режимом и высоким CMRR позволяет аналоговым входам IN+/IN– переключаться с произвольным соотношением друг к другу, при условии, что каждый вывод остается в диапазоне между землей (GND) и опорным напряжением (VREF). Эта уникальная особенность LTC2508-32 позволяет оцифровывать широкий спектр сигналов, в том числе традиционные классы аналоговых сигналов, такие как псевдодифференциальный униполярный, псевдодифференциальный истинный биполярный и полностью дифференциальный, что упрощает конструкцию сигнальной цепи.

      Источник с низким импедансом может напрямую управлять входами с высоким полным сопротивлением LTC2508-32 без ошибки усиления. Он должен быть буферизирован, чтобы минимизировать время установки в период сбора данных и улучшить линейность характеристик АЦП. Для достижения наилучшей производительности буферный усилитель нужно использовать для управления аналоговыми входами LTC2508-32. Усилитель обеспечивает низкий выходной импеданс, который позволяет добиваться быстрой стабилизации аналогового сигнала во время фазы сбора данных. Он также обеспечивает изоляцию между источником сигнала и входами АЦП (рис. 5).

      Функциональная блок-диаграмма

      Рис. 5. Функциональная блок-диаграмма

      Микросхема АЦП хорошо противостоит шуму и искажениям. Необходимо учитывать шум и искажение входного буферного усилителя и других вспомогательных схем, поскольку они вносят дополнительный вклад в шумы и искажения АЦП. Зашумленный входной сигнал следует фильтровать перед буферным усилителем фильтром с низкой пропускной способностью, чтобы минимизировать шум (рис. 6). Простой однополюсный фильтр нижних частот RC (LPF1), показанный на рис. 6, достаточен для многих применений.

      Фильтрация входного сигнала

      Рис. 6. Фильтрация входного сигнала

      Для того чтобы обеспечить минимизацию помех в буфере из-за переходных процессов выборки, должен использоваться фильтр связи (LPF2) между буфером и входом АЦП. Постоянные времени RC на аналоговых входах замедляют их установление. Следовательно, LPF2 обычно требует более широкой полосы пропускания, чем LPF1. Этот фильтр также помогает минимизировать вклад шума из буфера. Чтобы минимизировать ухудшение отношения сигнал/шум, необходимо выбрать буферный усилитель с низкой плотностью шума.

      В RC-фильтрах должны использоваться высококачественные конденсаторы и резисторы, поскольку эти компоненты могут добавлять искажения. Изолирующие конденсаторы типа NPO и Silver Mica имеют отличную линейность. Также углеродные поверхностные резисторы способны создавать искажения при самонагреве и повреждениях, возникающих при пайке. Резисторы поверхностного монтажа гораздо менее восприимчивы к обеим проблемам.

      Качественно выполненная настройка фильтра нижних частот (рис. 7) позволяет получать оцифрованный сигнал с малыми искажениями.

      АЧХ перестраиваемого фильтра нижних частот

      Рис. 7. АЧХ перестраиваемого фильтра нижних частот

      Динамические характеристики

      Методы быстрого преобразования Фурье (FFT) используются для проверки частотной характеристики АЦП, искажения и шума при номинальной пропускной способности. Применяя синусоидальный сигнал с низким искажением и анализируя цифровой выход с помощью БПФ, можно исследовать характеристики АЦП.

      Динамический диапазон

      Динамический диапазон представляет собой отношение cреднеквадратичного значения входа к общему среднеквадратическому шуму, измеренному с помощью вводов, закороченных на VREF/2. Динамический диапазон LTC2508-32 с DF = 256 составляет 131 дБ, что может быть улучшено увеличением коэффициента понижающей дискретизации.

      Соотношение сигнал/шум и искажение (SINAD)

      Отношение сигнал/шум и искажение (SINAD) представляет собой отношение между среднеквадратичной амплитудой входной частоты и среднеквадратичной амплитудой всех других частотных составляющих на выходе АЦП. Выход ограничивается полосой частот больше DC и меньше половины частоты дискретизации. На рис. 8 показано, что LTC2508-32 достигает типичного SINAD 120 дБ с частотой дискретизации 1 МГц с входом 200 Гц и DF=256.

      Соотношение сигнал/шум (SNR)

      Отношение сигнал/шум (SNR) представляет собой отношение между среднеквадратичной амплитудой входной частоты и среднеквадратичной амплитудой всех других частотных гармоник, за исключением первых пяти. На рис.  8 показано, что LTC2508-32 достигает типичного SINAD 120 дБ с частотой дискретизации 1 МГц, входом 200 Гц и DF = 256.

      128к-точечное БПФ

      Рис. 8. 128к-точечное БПФ с DF = 256, F = 200 Гц, Fs = 1 МГц

      Коэффициент искажения синусоидальности (THD)

      Под коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения понимают отношение действующего значения всех высших гармоник к действующему значению напряжения основной частоты.

      THD выражается как:

       

      где V1 — среднеквадратичная амплитуда основной частоты, а V2–VN — амплитуды 2–9 гармоник.

      LTC2508-32 рассеивает 24 мВт мощности при питании 2,5 В и выпускается в экономичном 24-ножечном корпусе DFN размером 7×4 мм кроме того, несколько устройств LTC2508-32 могут быть синхронизированы с помощью контакта SYNC.

       

      Заказать бесплатные образцы и отладочные платы вы можете, обратившись по адресу active@ptelectronics.ru