magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

digi lidBár a digitális algoritmusos megközelítésekkel számos probléma megoldható, még a legjobb digitális algoritmusoknak is vannak hiányosságai az analóg tartományban létező valós entitásokkal kapcsolatban. Ez különösen igaz a nagy sebességű és nagy felbontású adatgyűjtést igénylő alkalmazásokban, mint például a méréstechnika, a motorvezérlés és az adatgyűjtő rendszerek.

 

Az ilyen valós jelek rögzítésével és feldolgozásával foglalkozó tervezők számára az jelenti a problémát, hogy a lehető leghamarabb át kell lépniük a digitális tartományba anélkül, hogy a jelinformációkat veszélyeztetnék. A megoldást egy egyszerű átlagoló algoritmus (a zaj csökkentése érdekében) és egy bemeneti oldali analóg aluláteresztő szűrő (LPF) jelenti. Ezekkel a technikákkal egy megfelelő eszköz nagy felbontású, nagy sebességű átalakítást tud biztosítani, beépített analóg és digitális szűréssel.
Ez a cikk röviden tárgyalja a szukcesszív approximációs regiszterrel (SAR) megvalósított, analóg aluláteresztő szűrőt (LPF) és átlagoló digitális szűrőt alkalmazó analóg-digitális átalakítóval (ADC) végrehajtott nagy felbontású és sebességű átalakítással kapcsolatos problémákat, illetve azt, hogy ez a szűrőkombináció miért jó választás a legtöbb alkalmazáshoz. Ezután ismerteti az Analog Devices AD7606C-18 nyolccsatornás SAR ADC áramkörét, valamint bemutatja, hogyan használhatók ki az eszköz 1 megaminta/s (MSPS) átalakítási sebességének, szimultán mintavételező átalakító egységének és rugalmas digitális szűrőfunkcióinak az előnyei.
A legjobb összteljesítmény elérésének bemutatására a cikk az AD7606C-18 típusú eszközt a szintén az Analog Devices-től származó ADR4525 ultraalacsony zajszintű, nagy pontosságú feszültségreferenciával kombinálja a 18 bites átalakításokhoz szükséges SAR pontosság növelése érdekében.

 

Analóg kontra digitális szűrők

Ha egy analóg mérnök és egy digitális mérnök a szűrőkről vitatkozik, előfordulhat, hogy a digitális mérnök „leszólja” az analógot. Ez nagy hiba volna. Az analóg-digitális (A/D) átalakításhoz kapcsolódó szűrés esetében szokásosan a digitális szűrőt analóg aluláteresztő szűrőnek (LPF) kell megelőznie (1. ábra).

 

digi 1

1. ábra Egy analóg-digitális jellánc blokkdiagramja a digitális szűrőt megelőző analóg szűrővel (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 


Miután az analóg LPF csillapítja a szükséges sávszélesség feletti magasabb frekvenciákat, az ADC digitális szóvá alakítja a jelet. Ezt követően a digitális szűrő a kívánt sávszélességen belül végezheti el a jel feldolgozását.

 

Analóg szűrők adatgyűjtő környezetben

Az analóg LPF fontossága az ADC kimeneténél mutatkozik meg. Az ADC-n áthaladó minden jelhez tartozik egy nagyság és egy frekvencia. Az ADC kimenetén a jel nagysága megbízhatóan ugyanaz marad, ha a jel frekvenciája az ADC bemeneti sávszélessége alatt van. Bár az A/D átalakítás megőrzi a jel nagyságát, ugyanez nem igaz a jel frekvenciájára. Az ADC fS mintavételi frekvenciája, más néven a Nyquist mintavételi frekvencia ½-e felett a frekvenciák változása figyelhető meg (2. ábra).

 

digi 2

2. ábra Az (A) ábrán egy bemeneti jel gyors Fourier-transzformációval történő (FFT) ábrázolása öt frekvenciakomponenst tartalmaz. A/D átalakítás után a (B) ábrán látható FFT ábrázolás mind az öt jel frekvenciáját az ADC fS mintavételi frekvenciája felénél kisebbnek mutatja (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 


A 2. ábrán mindkét FFT görbe esetében az x tengely a frekvenciát ábrázolja logaritmikusan, az y tengely pedig a feszültséget vagy a nagyságot lineárisan. Az (A) ábrán az analóg jel FFT ábrázolása az ADC olyan bemeneti jelét mutatja, amely több, az ADC mintavételi frekvenciájának fele (vagyis fS/2) feletti frekvenciájú jelet vagy zajt tartalmaz.
A két ábra összehasonlítása során célszerű az öt FFT jelet figyelemmel kísérni. Az ADC átalakítás után az eredeti jel nagysága nem változik, de az (A) ábra szerinti, a mintavételi frekvencia felénél magasabb frekvenciák a (B) ábrán az fS/2 értéknél kisebbek. Ezt a jelenséget jel alul-mintavételezésnek nevezik. A jel pontos rögzítéséhez az ADC fS mintavételi sebességének nagyobbnak kell lennie, mint az fMAX kétszerese, ahol a Shannon-Nyquist mintavételi tételnek megfelelően az fMAX a jel hasznos sávszélességével egyenlő.
Látható, hogy az ADC-k hogyan ültetnek be állandóan nem kívánt zajokat és jeleket a digitális kimeneti jelbe. Ez a változás lehetetlenné teszi az átalakító kimenetén a sávon belüli és a sávon kívüli jelek megkülönböztetését. Azt gondolhatnánk, hogy létezik oda-vissza átjárás a két FFT ábrázolás között. Azonban ha az átalakítás már megtörtént, nincs visszaút, a folyamat nem fordítható meg. Sajnos a matematika nem támogatja ezt a fajta oda-vissza átmenetet.
Visszatérve az analóg/digitális vitához: egy digitális szűrő kétségtelenül képes átlagoló, véges impulzusválasz (FIR) vagy végtelen impulzusválasz (IIR)-szűrés alkalmazására, ezzel a rendszer zajának csökkentésére. Azonban minden digitális szűrő jelentős mértékű, a jel végső kimeneti adatátviteli sebességnél lényegesen nagyobb mintavételi frekvenciával történő túlmintavételezést, végső soron több időt és energiát igényel, továbbá csökken az ADC mintavételi sebessége. A digitális szűrő és átalakító funkció soha nem képes megbirkózni a jel alul-mintavételezésének jelenségével. A legjobb megoldás, ha egyszerűen csökkentjük a magasabb frekvenciájú zajt már az elején – akár egy kezdetleges analóg elsőrendű aluláteresztő szűrővel.

 

Átlagoló digitális szűrők

Az SAR ADC-k átlagoló digitális szűrővel javítják az egyenáramú zaj mérését. Az átlagoló digitális szűrő a bitek számának növelése érdekében többszörös átalakítást végez állandó időskálával. Az ADC-k felhasználói átlagoló algoritmusokat használnak a vezérlőjükkel, processzorukkal vagy a lapkán levő átlagoló motorjukkal, amely több átalakítási mintát rögzít. Az átlagolási folyamat „kisimítja” az átalakítási csoportot, és a rendszerzaj csökkentésével javítja a tényleges felbontást.
Az átalakított adatok simításának végrehajtása lényegében állandó mintavételi sebességgel történő többszörös jelrögzítés és előre meghatározott számú mintavétel átlagolása. Maga az átlagolási folyamat jól ismert. Az ADC eredmények (egymást követő minták, x) összege osztva a minták számával (N) egy átlagértéket ad (1. egyenlet).

 

digi egy 1

1. egyenlet

 

Ez az eljárás N-ed részére csökkenti a kimeneti adatátviteli sebességet, de növeli a rendszer szabályozási idejét.
Az átlagolt zajos minták szórása (σavg) az eredeti jel szórása (σsig) osztva az N négyzetgyökével (2. egyenlet).

 

digi egy 2

2. egyenlet

 

Az egymást követő minták, beleértve a korrelálatlan zajt is, nagyobb zajcsökkentést eredményeznek állandó jelátlag esetén. Minden egyes egymást követő átlagolt mintával javul a jel-zaj viszony (SNR), ha a jel egyenáramú és a zajkomponens véletlenszerű. A jel-zaj viszony javulása az átlagolt minták számának négyzetgyökével arányos. Négy (41) egyenáramú jelminta átlaga eggyel növeli az átalakító tényleges felbontását a jel-zaj viszony 6 dB-s javulása mellett. 16, illetve 42 minta átlaga kettővel növeli a tényleges felbontást és 12 dB-lel a jel-zaj viszonyt. Ezzel a logikával a 4N csoportméret N-nel növeli az átalakításból származó tényleges bitek számát, ezáltal a rendszerzaj nullára csökken, a jel-zaj viszony értéke pedig végtelenre nő.

 

Az Allan-variancia

A végtelen jel-zaj viszony természetesen abszurd. A valóságban a szükséges számú minta összegyűjtése időigényes és közben a rendszer driftjének mértéke megváltozhat.
Az Allan-variancia, más néven kétmintás variancia, az órajelek, oszcillátorok, ADC-k és erősítők frekvenciastabilitását méri azáltal, hogy megmutatja a zaj változását a jel átlagolásához használt minták számának növekedésével. Az Allan-variancia statisztikai elemző eszközként meghatározza a szükséges minták adott rendszerhez optimális maximális számát, ezáltal megbecsüli a stabilitást és megmutatja a frekvenciadriftet vagy a hőmérsékleti hatásokat.
Például az egy ADC-rendszerből származó adatok idővel eltolódásokat mutathatnak, amint az a 3. ábrán látható.

 

digi 3

3. ábra A kilenc perc alatt rögzített 30 000 ADC kimeneti adatpont az adatok enyhe driftjét mutatja az adott időszakban, ami az Allan-variancia számításában romlást okoz (A kép forrása: Electronic Design)

 

 

A varianciaalgoritmus több, egyre hosszabb és hosszabb átlagokat tartalmazó tételeket vesz, és kiértékeli az egyes tételek eredő zaját (4. ábra).

 

digi 4

4. ábra Alkalmazott Allan-varianciaszámítás a 3. ábra adatpontjaira. 500 pont átlagában ez az adott ADC rendszer 4,48 bitet ér el, ami a jel-zaj viszonyt tekintve 27 dB javulásnak felel meg (A kép forrása: Electronic Design)

 


A 4. ábra azt mutatja, hogy az adott rendszer adatpontjainak minimális szórása körülbelül 500 ADC kimeneti átlagnál jelentkezik – ez a mintaátlagok optimális száma a zajcsökkentés szempontjából. 500 pont átlagában ez az ADC-rendszer 4,48 bitet ér el, ami a jel-zaj viszonyt tekintve 27 dB javulást jelent. Az 500. átlagpont előtt és után az eredmények a 4. ábrán látható módon romlanak, mivel az adatok driftje jelentősebb tényezővé válik. Az Allan-variancia számításait befolyásoló változók az idő, a jelstabilitás, a drift, a tápellátás változásai és a termék öregedése lehetnek. Digitális átlagoló szűrő használata esetén célszerű a teljes rendszer Allan-variancia segítségével történő kiértékelése.

 

Való életből vett megoldás

Az SAR átalakítók programozható erősítésű erősítő (PGA) és digitális szűrő funkciókat kínálnak a tényleges felbontás és a legkisebb helyiértékű bithez (LSB) tartozó feszültség növelése érdekében. Az Analog Devices AD7606C-18 típusú eszköze például egy 18 bites, 1 MSPS sebességű szimultán mintavételezésű A/D adatgyűjtő rendszer (DAS) nyolc csatornával, amelyek mindegyike analóg bemeneti korlátozó védelmet, PGA-t, LPF-et és 18 bites SAR ADC-t tartalmaz.
Az eszköz 1 MΩ bemeneti impedanciájú és programozható, valódi bipoláris differenciális, bipoláris együtemű, illetve unipoláris együtemű bemeneti feszültségkonfigurációjú analóg bemeneti pufferekkel is rendelkezik. Az AD7606C-18 nyolc különböző független bemeneti érzékelő vagy jelcsatorna csatlakoztatását teszi lehetővé.
Az AD7606C-18 digitális szűrője túlmintavételezési üzemmóddal rendelkezik, amely 1 és 256 (44) közötti számú ismétlődő mintákat átlagol. Az Allan-varianciaeszköz szerint ez a túlmintavételezési funkció javítja a zajteljesítményt az átalakító digitális kimenetén. Az ADR4525 alacsony zajszintű, 2,5 voltos precíziós feszültségreferencia 1 ppm/°C maximális hőmérsékleti együtthatóval és 1 mV csúcsértéktől csúcsértékig terjedő tipikus kimeneti zajjal egészíti ki az AD7606C-18 DAS rendszert (5. ábra).

 

digi 5

5. ábra Az AD7606C-18 SAR ADC az ADR4525 2,5 V-os precíziós feszültségreferenciával. A V1-től V8-ig terjedő bemeneti csatornákon az elsőrendű aluláteresztő szűrőkkel ellátott induktivitások egyidejűleg mind a nyolc csatornát mintavételezik (A kép forrása: Analog Devices)

 


Amint az 5. ábra mutatja, az ilyen típusú, nagy bemeneti impedanciájú SAR-tömb közvetlenül, a tipikus külső meghajtóerősítők nélkül csatlakoztatható az érzékelőkhöz. Előfordulhat, hogy az érzékelő külső erősítőfokozatára sincs szükség. Ezzel párhuzamosan az SAR átalakító egy, a jelfeldolgozást végző belső PGA és LPF fokozattal is rendelkezik, amelyet a zaj további csökkentése érdekében egy nagyobb tényleges felbontást biztosító átlagoló digitális szűrő követ. Egy ilyen DAS 17,1 bites tényleges felbontást kínál 3,9 kilominta/másodperc (kSPS) átalakítási sebesség mellett. Az átalakítási sebesség tartományának másik végén ez az eszköz 15 bites tényleges felbontásra képes 1 MSPS sebességgel.
Az AD7606C-18 leggyorsabb átalakítási sebessége 1 MSPS, egyszeres túlmintavételezéssel. Ha az átalakító csatornájának túlmintavételezése kétszeres, vagy egy csatorna mintáit kétszer átlagolja, akkor az átalakítási sebesség a maximális átalakítási sebesség fele, vagyis 500 kSPS. Négyszeres túlmintavételezés esetén, vagyis ha az átlagolt minták száma 41, az adott csatorna átalakítási sebessége 250 kSPS és így tovább. A rendszer 256-os túlmintavételezési érték mellett a nyolc csatorna mindegyikére vonatkozóan ±10 V-os együtemű tartományt, 17,1  bites tényleges felbontást (105 dB jel-zaj viszonyt) és 3,9 kSPS átalakítási sebességet biztosít (1. táblázat).

 

digi table

1. táblázat Az AD7606C-18 túlmintavételezési teljesítménye alacsony sávszélességű üzemmódban (A táblázat forrása: Analog Devices)

 


A jel-zaj viszonyról tényleges felbontásra (tényleges bitszám vagy ENOB) történő átalakítás képlete a 3. egyenletben látható.

 

digi egy 3
3. egyenlet

 

Az átalakítási sebesség tartományának másik végén ez az eszköz 1-szeres túlmintavételezési érték mellett 15 bites tényleges felbontást (92,5 dB jel-zaj viszonyt) biztosít 1 MSPS átalakítási sebességgel (1. táblázat).
Az AD7606C-18 további javítási lehetőségeket is kínál. A chipen nyolc különálló SAR ADC található és mind a nyolc csatorna egyidejű mintavételezési funkcióval rendelkezik. Ezzel a funkcióval egyszerre minden csatornán megvalósítható a digitális szűrő a nagy felbontás vagy a nagy sebesség elérése érdekében. Ezenkívül minden csatorna rendelkezik kalibrációs és diagnosztikai képességgel is. Például az AD7606C-18 rendszerfázis-kalibrációja érzékeli a diszkrét bemeneti szűrő eltérését. Ez az értékes funkció azonosítja a diszkrét alkatrészek vagy a használt érzékelő bármilyen eltérését, amely fázishibát okozhat az egyidejűleg mintavételezett csatornák között. Az eszköz szoftveres üzemmódja csatornánként kompenzálja a fáziseltérést az egyes csatornák mintavételi pillanatának késleltetésével.
A rendszererősítés kalibrálása érzékeli a diszkrét bemeneti szűrő ellenállásának eltéréseit. Ez a képesség segít kiküszöbölni a külső ellenállás-eltéréseket. A szoftveres üzemmód csatornánként kompenzálja az erősítési hibát az alkalmazott soros ellenállás értékének a megfelelő regiszterbe történő beírásával. A rendszereltolódás kalibrálása a bemeneti jelek eltolódásait veszi figyelembe a kalibrálási tevékenység során. A szoftver képes beállítani az egyes csatornák külső érzékelőjének eltolódását vagy bármely külső ellenálláspár eltérésének eltolódását.
Egy adott alkalmazáshoz az AD7606-hoz készült EVAL-AD7606SDZ kártyán megtalálható az eszköz kiértékelését az eszköz programozásával, valamint a hullámforma, a hisztogram és az FFT rögzítésével segítő szoftver is (6. ábra).

 

digi 6

6. ábra Az AD7606 kiértékelő kártya (balra) a rendszerbemutató platform (SDP) kártyához (jobbra) csatlakoztatva, utóbbi lehetővé teszi a kiértékelő kártya vezérlését a PC USB portján keresztül (A kép forrása: Analog Devices)

 


A kiértékelő kártya szoftverével a felhasználó konfigurálhatja az egyes csatornák túlmintavételezési értékét, bemeneti tartományát, mintáinak számát és aktív csatornáinak kiválasztását. A szoftver lehetővé teszi továbbá tesztadatfájlok mentését és megnyitását is.

 

Összegzés

A digitálisra való áttérés ellenére ez még mindig egy analóg világ, és a tervezőknek analóg-központú elektronikára van szükségük a nagy felbontású, nagy sebességű átalakítás problémáinak megoldásához. Mint látható, egy analóg LPF és egy digitális átlagoló szűrő egyszerű kombinációja – megfelelő számú átlagolt mintával megvalósítva – nagymértékben növeli egy 1 MSPS sebességű SAR átalakító teljesítményét.

 

Digi Rolf HornSzerző: Rolf HornAlkalmazástechnikai mérnök,
Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu

Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: arkadiusz.rataj@digikey.com