Как подобрать АЦП по разрядности, скорости и опорному напряжению
Подбор преобразователя начинается с характеристик сигнала, а не с числа разрядов. Разбираем архитектуры, роль опорного напряжения, где теряются заявленные разряды и что ставится вокруг микросхемы.
Аналого-цифровой преобразователь переводит напряжение с датчика в число, с которым дальше работает микроконтроллер или программируемая логика. Подбор начинается не с разрядности, а с того, какой сигнал измеряется, как быстро он меняется и какая погрешность допустима на всей цепи — от источника до результата в памяти.
Ниже — какие параметры определяют выбор, чем различаются архитектуры преобразователей, что даёт опорное напряжение и какие ошибки съедают заявленные разряды. Позиции лежат в разделе АЦП и ЦАП.
С чего начинается подбор
- Диапазон входного сигнала. Однополярный или двуполярный, размах в вольтах, наличие постоянной составляющей. От этого зависит, нужен ли входной усилитель или делитель.
- Полоса сигнала. Максимальная частота полезной составляющей. Частота выборки берётся с запасом относительно удвоенной верхней частоты, а перед входом ставится фильтр, подавляющий всё, что выше половины частоты выборки.
- Требуемое разрешение. Считается от минимального различимого изменения измеряемой величины, а не выбирается «побольше».
- Число каналов. Один канал, мультиплексор на несколько входов или одновременная выборка по всем каналам — последнее нужно там, где важен взаимный сдвиг сигналов.
- Интерфейс с процессором. Последовательный или параллельный, требуемая скорость шины, число линий на корпусе.
- Питание и потребление. Напряжение питания аналоговой и цифровой частей, ток в рабочем и в спящем режиме.
- Условия эксплуатации. Температурный диапазон и требования к корпусу.
Что даёт разрядность и где она теряется
Разрядность задаёт число ступеней шкалы. Шаг квантования — это опорное напряжение, делённое на число ступеней: при двенадцати разрядах шкала делится на 4096 ступеней, при шестнадцати — на 65 536. Но заявленная разрядность и фактическая точность — разные величины. Разряды теряются на:
- шуме источника опорного напряжения — нестабильный источник сдвигает всю шкалу;
- шуме питания — пульсации проникают в аналоговую часть и смазывают младшие разряды;
- наводках на входную цепь — длинная линия от датчика без экрана и фильтра;
- собственном шуме преобразователя — указывается в документации как эффективное число разрядов;
- нелинейности — дифференциальной и интегральной, они задают систематическую погрешность;
- температурном дрейфе — смещения нуля и коэффициента передачи.
Поэтому при выборе сравнивают не число разрядов в названии, а эффективное число разрядов на нужной частоте выборки.
Архитектуры и их область применения
| Архитектура | Типичное разрешение | Скорость | Где применяется |
|---|---|---|---|
| Последовательного приближения | От 8 до 18 разрядов | От килогерц до единиц мегагерц | Измерение медленных величин, многоканальный сбор данных |
| Сигма-дельта | От 16 до 24 разрядов | Низкая и средняя | Весоизмерение, температура, точные измерения постоянных величин |
| Конвейерная | От 10 до 16 разрядов | Десятки и сотни мегагерц | Обработка сигнала, видеотракт, радиоприём |
| Параллельная | От 6 до 10 разрядов | Сотни мегагерц и выше | Сверхбыстрые измерения, осциллографические тракты |
| Встроенный в микроконтроллер | От 10 до 16 разрядов | Средняя | Задачи, где не нужна отдельная микросхема |
Встроенный преобразователь микроконтроллера закрывает значительную часть задач: контроль питания, измерение температуры, опрос потенциометров. Отдельная микросхема нужна, когда требуется более высокая точность, одновременная выборка по каналам либо когда аналоговую часть нужно вынести от шумного цифрового узла.
Опорное напряжение
Результат преобразования — это отношение входного напряжения к опорному. Значит, любая погрешность опорного источника напрямую переходит в результат. Варианты:
- Опора от питания. Самый простой и самый неточный вариант: шумы и просадки питания попадают в результат. Приемлемо там, где измеряется отношение к тому же питанию.
- Встроенный источник. Есть в большинстве микроконтроллеров и в части микросхем. Характеристики указываются в документации — начальная погрешность и температурный дрейф.
- Внешний источник. Отдельная микросхема с нормированными точностью и дрейфом. Берётся, когда нужна воспроизводимость измерений между экземплярами изделия и при изменении температуры.
Цепь опорного напряжения разводится и фильтруется отдельно от питания цифровой части — позиции для развязки и фильтрации есть в разделах управление питанием, стабилизаторы напряжения и фильтры.
Что ставится вокруг преобразователя
- Входной буфер. Источник сигнала с большим внутренним сопротивлением не успевает зарядить входную ёмкость за время выборки. Буферный усилитель снимает эту проблему.
- Фильтр перед входом. Подавляет составляющие выше половины частоты выборки, иначе они отразятся в полосу полезного сигнала.
- Защита входа. При измерениях во внешних цепях ставятся ограничители и защитные элементы — раздел варисторы и терморезисторы.
- Развязка. Если измерительная часть находится под другим потенциалом, между ней и процессором ставится изоляция — позиции в разделе оптопары.
- Тактирование. Для быстрых преобразователей стабильность тактового сигнала прямо влияет на результат — раздел кварцевые резонаторы.
- Датчики. Источники измеряемых величин — раздел датчики среды.
Частые вопросы
Хватит ли встроенного преобразователя микроконтроллера? Для контроля напряжений, температуры и положения регуляторов — как правило, да. Для измерений с нормированной погрешностью и воспроизводимостью между экземплярами берут отдельную микросхему с внешней опорой.
Зачем нужна одновременная выборка по каналам? Когда важен взаимный сдвиг сигналов — при измерении мощности, векторных величин, фазовых соотношений. Мультиплексор опрашивает каналы по очереди и вносит сдвиг между ними.
Что даёт усреднение нескольких выборок? Снижает влияние случайного шума и добавляет эффективные разряды, но не исправляет систематическую погрешность и нелинейность и снижает скорость измерения.
Можно ли подобрать аналог по числу разрядов и скорости? Нет. Сверяются также опорное напряжение, входной диапазон, интерфейс, цоколёвка корпуса и требования к питанию аналоговой части. Совпадение двух параметров из списка ничего не гарантирует.
Что прислать для подбора? Тип датчика и диапазон его сигнала, требуемую погрешность в единицах измеряемой величины, полосу сигнала, число каналов, интерфейс, напряжения питания, температурный диапазон, корпус и тираж.
Как подбираем
Разбираем требования к измерительному тракту, подбираем архитектуру и конкретную микросхему по эффективной разрядности на вашей частоте выборки, комплектуем опорой, фильтрами и элементами защиты, проверяем наличие и сроки. Смежные позиции — микросхемы общего назначения, Analog Devices и Texas Instruments. Другие материалы — в разделе блога о микроэлектронике.
Пришлите требования к измерительному тракту на micro@tkasiatorg.ru — подберём преобразователь и обвязку, проверим наличие и назовём срок поставки.
