В чем разница между Δ∑-АЦП и АЦП последовательного приближения?

В статье рассматриваются два наиболее популярных типа АЦП: АЦП последовательного приближения и Δ∑-АЦП. В заключении даются рекомендации, которые помогут разработчикам сделать грамотный выбор между этими архитектурами
1819
В избранное

Выбирая между АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП, разработчик, как правило, должен решить, что для него важнее в конкретном приложении – высокое разрешение или частота дискретизации.

Сегодня практически в каждом электронном устройстве используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Одна из задач, стоящих перед разработчиком при создании нового устройства, заключается в выборе типа АЦП. Этот выбор во многом определяет эффективность конечного решения. В данной статье рассматриваются два наиболее популярных типа АЦП: АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП. В заключении даются рекомендации, которые помогут разработчикам сделать грамотный выбор между этими архитектурами.

Для описания АЦП используются десятки различных параметров. Рассмотри наиболее важные из них.

Разрешение. Разрешение АЦП определяется его максимальной разрядностью. Разрешение также может выражаться как минимальное изменение входного аналогового сигнала, которое приводит к изменению выходного цифрового значения на 1 бит LSB (младший значащий разряд). Таким образом, аналоговое разрешение определяет минимальное изменение входного сигнала, которое может быть зафиксировано АЦП.

Точность. Точность АЦП характеризует, насколько реальный выходной цифровой сигнал отличается от идеального значения. Точность АЦП определяется шумом квантования, нелинейностями в передаточной характеристике и дополнительными источниками шума.

Частота дискретизации. Частота дискретизации – это наибольшее количество выборок, которое АЦП способен выполнить за одну секунду. Например, АЦП может делать 10 миллионов выборок в секунду (10 MSPS). Частота дискретизации связана со временем преобразования, то есть тем временем, которое требуется для выполнения одного преобразования. Для частоты дискретизации 10 MSPS время преобразования составляет 100 нс.

Шум квантования. Шум квантования представляет собой ошибку, возникающую при выполнении преобразования. Говоря конкретным языком, это разница между фактическим входным значением аналогового напряжения и выходным напряжением, представленным в цифровом виде. Пиковое значение шума квантования равно аналоговому разрешению, то есть напряжению, которое соответствует младшему значащему разряду LSB. Это значение определяется как VR/ 2N, где VR – это опорное напряжение преобразователя, 2N – это число битов разрешения. Шум квантования уменьшается с увеличением разрешения.

Есть и другие важные характеристики АЦП, но, к сожалению, они оказываются слишком сложными, чтобы их можно было рассмотреть в рамках данной короткой статьи. При необходимости с ними можно ознакомиться самостоятельно с помощью других публикаций.

Сравнение типов АЦП

Существует пять наиболее распространенных архитектур АЦП: АЦП двойного интегрирования (dual slope ADC), АЦП последовательного приближения (successive approximation ADC), АЦП прямого преобразования (flash ADC), АЦП конвейерного типа (pipelined ADC), дельта-сигма АЦП (delta-sigma ADC).

АЦП двойного интегрирования отличаются низкой частотой дискретизации и используются в основном в измерительных приборах, таких, например, как цифровые вольтметры. АЦП с последовательным приближением имеют хорошее разрешение и умеренно высокую частоту дискретизации, в то время как АЦП прямого преобразования предлагают самую высокую скорость преобразования, но характеризуются невысоким разрешением. Преобразователи конвейерного типа использует несколько АЦП прямого преобразования, что позволяет увеличить разрешение и сохранить высокую частоту дискретизации. Наконец, сигма-дельта АЦП (ΔΣ) обеспечивают очень высокое разрешение, но отличаются самой низкой частотой дискретизации. В таблице 1 представлены характеристики всех перечисленных типов преобразователей.

Таблица 1. Характеристики различных типов АЦП

Тип АЦП

Разрешение, бит

Частота дискретизации

Двойного интегрирования

12-20

100 выборок в секунду

Последовательного приближения

8-18

10 миллионов выборок в секунду

Прямого преобразования

4-12

10 миллиардов выборок в секунду

Конвейерные

8-16

1 миллиард выборок в секунду

Дельта-сигма

8-32

1 миллион выборок в секунду

Самыми популярными типами АЦП являются АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП. Оставшаяся часть статьи посвящена более детальному рассмотрению особенностей этих двух типов преобразователей.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения является одним из старейших и наиболее популярных типов АЦП. Их обычно используют в приложениях сбора данных, в промышленной автоматике и в контрольно-измерительных приборах, то есть там, где сверхвысокая скорость не требуется.

На рис. 1 показана структурная схема АЦП последовательного приближения. В ее основе лежит регистр последовательного приближения. Результат, хранящийся в этом регистре, поступает на выход АЦП по параллельной шине. Эта же шина подключена к цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), который формирует аналоговый сигнал в соответствии с содержимым регистра. Сигнал от источника опорного напряжения, подаваемого на вход ЦАП, определяет диапазон входных напряжений АЦП (например, от 0 до 5 В).

 В основе АЦП последовательного приближения лежит регистр последовательного приближения

Рис. 1. В основе АЦП последовательного приближения лежит регистр последовательного приближения

Сигнал с выхода ЦАП поступает на вход компаратора. На другой вход компаратора подается аналоговый сигнал, который требуется оцифровать. Этот сигнал обычно предварительно нормализуется с помощью усилителя выборки хранения. Усилитель выборки хранения содержит ключ и конденсатор, который заряжает/ разряжается входным напряжением. Каждое преобразование начинается с выборки входного напряжения. Для этого ключ усилителя открывается, и входное напряжение заряжает конденсатор. Далее усилитель обеспечивает постоянство этого напряжения в течение всего процесса преобразования.

В некоторых случаях усилитель выборки-хранения может отсутствовать. Речь идет об АЦП с низким быстродействием и невысоким разрешением.

Разрешение АЦП последовательного приближения обычно находится в диапазоне от 8 до 18 бит и зависит от количества битов в регистре последовательного приближения. Чем больше количество битов, тем больше разрешение и точность. Например, для 12-разрядного АЦП с опорным 5 В ЦАП аналоговое разрешение составит VR/ 2N = 5/ 212 = 5/ 4096 = 1,22 мВ.

АЦП использует специальный алгоритм работы. Логика управления последовательно устанавливает или сбрасывает отдельные биты в регистре последовательного приближения в соответствии с состоянием выхода компаратора. Изначально все биты регистра сброшены. При запуске преобразования старший бит регистра (MSB) устанавливается в «1». Далее выполняется сравнение. Если входное напряжение АЦП оказывается больше, чем напряжение на выходе ЦАП, то бит регистра остается установленным, в противном случае сбрасывается.

Затем устанавливается следующий по старшинству бит и выполняется новое сравнение. Тактовый сигнал определяет скорость установки и сброса битов регистра. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут оценены все биты. Общее время преобразования в таком случае определяется временем установки/ сброса одного бита, умноженным на количество битов в регистре последовательного приближения. Для 16-разрядного АЦП с тактовой частотой 2 МГц время преобразования составляет 16 x 0,5 мкс = 8 мкс. Время преобразования определяет частоту дискретизации АЦП.

После выполнения преобразования полученное цифровое значение входного напряжения может быть считано по параллельной шине напрямую из регистра последовательного приближения, либо в качестве альтернативного варианта содержимое регистра может быть перенесено в сдвиговый регистр, из которого результат считывается с помощью последовательного интерфейса. 

Дельта-сигма АЦП

ΔΣ-АЦП используют более современную архитектуру, которая была разработана после создания эффективных механизмов цифровой обработки сигналов (DSP). Эта архитектура оказывается уникальной и сложной, но обеспечивает рекордное разрешение и минимальный уровень шума. В то же время, ΔΣ-АЦП уступают остальным типам АЦП по частоте дискретизации, поэтому чаще всего их используют для работы с постоянными сигналами и низкочастотными сигналами аудиодиапазона. Типичными приложениями для ΔΣ-АЦП являются измерительные приборы и цифровое аудио (например, CD, MP3 и т. д.).

На рис. 2 показана структурная схема ΔΣ-АЦП. В ее основе лежит ΔΣ-модулятор. Входной сигнал АЦП подается на дифференциальный усилитель, где из него вычитается выходной сигнал встроенного 1-битного ЦАП. Затем результат интегрируется и поступает на компаратор, который сравнивает его с нулевым потенциалом. Далее выход компаратора устанавливает или сбрасывает D-триггер. Состояние D-триггера снова отправляется в ЦАП. Так как ЦАП имеет разрядность 1 бит, то на его выходе может присутствовать либо 0 В, либо напряжение опорного источника. В качестве альтернативного варианта ЦАП может формировать двухполярный сигнал, например ± 1 В.

В основе ΔΣ-АЦП лежит схема модулятораРис. 2. В основе ΔΣ-АЦП лежит схема модулятора

В результате на выходе D-триггера создается битовый поток. Плотность появления логических единиц «1» в этом потоке пропорциональна уровню входного напряжения. Каждый тактовый импульс генерирует один бит входного сигнала и один бит последовательного выходного сигнала. Тактовая частота обычно намного выше, чем частота входного сигнала, что необходимо для обеспечения передискретизации.

Сам по себе битовый поток оказывается не очень полезным. По этой причине в дальнейшем он обрабатывается низкочастотным DSP-фильтром и дециматором. Описание фактических процессов, происходящих в этих блоках, выходит за рамки данной статьи. Отметим лишь, что на выходе формируются цифровые битовые слова заданной длины. Цифровой фильтр и дециматор обычно входят в состав АЦП.

Ключевой особенностью ΔΣ-АЦП является тот факт, что фильтр нижних частот удаляет большую часть высокочастотного шума, генерируемого в процессе измерений. Дециматор уменьшает количество выходных слов в соответствии с заданным коэффициентом прореживания. Коэффициент прореживания определяет, какое количество выборок будет усреднено для получения каждого выходного цифрового слова.

Итак, какие преобразователи лучше: ΔΣ-АЦП или АЦП последовательного приближения?

Ответ зависит от конкретного приложения. Какой из параметров оказывается для Вас наиболее критичным: разрешение или частота дискретизации? Для получения максимального разрешения следует выбирать ΔΣ-АЦП, для которых разрядность достигает 32 бит. Разрешение у АЦП последовательного приближения также весьма достойное, но, как правило, не превышает 18 бит.

Скорость выборки также имеет большое значение. АЦП должен быть достаточно быстрым, чтобы отрабатывать наиболее высокочастотные входные сигналы. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна превышать самую высокочастотную составляющую исследуемого сигнала как минимум в два раза. Так, например, если максимальная частота входного сигнала составляет 45 кГц, то частота дискретизации должна быть более 90 кГц. На практике для получения приемлемых результатов используют частоту дискретизации, превышающую частоту исследуемого сигнала в пять-десять раз.

ΔΣ-АЦП и АЦП последовательного приближения имеют максимальную частоту дискретизации до 10 миллионов выборок в секунду (10 MSPS). Однако следует иметь в виду, что для ΔΣ-АЦП частота обновления данных оказывается меньше из-за выполнения децимации и обычно находится в диапазоне тысяч выборок в секунду (kSPS). Вместе с тем ΔΣ-АЦП обеспечивают более качественное удаление шума, чем АЦП последовательного приближения.

Одно из преимуществ АЦП последовательного приближения заключается в том, что в них может использоваться мультиплексирование нескольких входов для получения многоканальных решений. Мультиплексор выполняет коммутацию каналов, подавая входные сигналы на усилитель выборки-хранения. Очевидно, что при последовательном опросе каналов частота дискретизации для каждого отдельного входа оказывается ниже. Например, четырехканальный АЦП с частотой дискретизации 5 MSPS обеспечивает частоту измерений для каждого канала 1,25 MSPS.

Таблица 2. Достоинства, недостатки и области применения ΔΣ-АЦП и АЦП последовательного приближения

Тип АЦП

Разрешение, бит

Частота дискретизации

Преимущества

Недостатки

Приложения

Последовательного приближения

8-18

10 миллионов выборок в секунду

скорость, низкое потребление, дешевизна, возможность мультиплексирования

низкое разрешение, значительный шум

сбор данных, промышленная автоматика, приложения с батарейным питанием

Дельта-сигма

8-32

1 миллион выборок в секунду

низкий уровень шума, высокое разрешение, нет необходимости в устройстве выборки-хранения

низкая скорость, стоимость, потребление

Измерительные системы, аудиосистемы, медицинские системы

 

Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX192BCPP+
MAX192BCPP+
Maxim Integrated
Арт.: 217444 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 152 шт. от: 348 руб.
АЦП последовательного приближения. 10 бит, 8 каналов, 133кГц
MAX192BCPP+ от 348,00 от 5 шт. 348,00 от 11 шт. 348,00 от 24 шт. 348,00 от 54 шт. 348,00
71 шт.
(на складе)
81 шт.
(под заказ)
MAX11200EEE+
MAX11200EEE+
Maxim Integrated
Арт.: 585538 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 454 шт. от: 154 руб.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 24-Bit Delta-Sigma
MAX11200EEE+ от 154,00 от 11 шт. 154,00 от 25 шт. 154,00 от 53 шт. 154,00 от 139 шт. 154,00
30 шт.
(на складе)
424 шт.
(под заказ)
MAX11156ETC+
MAX11156ETC+
Maxim Integrated
Арт.: 1196992 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 23 шт. от: 2600 руб.
АЦП последовательного приближения. 18 бит, 1 канал, 500квыб/сек
MAX11156ETC+ от 2600,00 от 2 шт. 2220,00 от 4 шт. 2000,00 от 8 шт. 1850,00 от 20 шт. 1760,00
23 шт.
(на складе)
MAX11410ATI+
MAX11410ATI+
Maxim Integrated
Арт.: 2093171 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 270 шт. от: 249 руб.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 24-bit SD ADC 10 input/SPI
MAX11410ATI+ от 249,00 от 7 шт. 249,00 от 15 шт. 249,00 от 40 шт. 249,00 от 80 шт. 249,00
38 шт.
(на складе)
232 шт.
(под заказ)
MAX14001AAP+
MAX14001AAP+
Maxim Integrated
Арт.: 2235906 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 237 шт. от: 863 руб.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) Config 10-Bit ADC Configurable
MAX14001AAP+ от 863,00 от 5 шт. 740,00 от 11 шт. 666,00 от 23 шт. 616,00 от 59 шт. 586,00
210 шт.
(на складе)
27 шт.
(под заказ)
Производитель: Мастер Кит
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
KIT MP309
KIT MP309
Мастер Кит
Арт.: 1318360 ИНФО
Доступно: 1 шт. от: 1330 руб.
Блок 4-канального АЦП Данное устройство является аналоговым интерфейсом для блока BM8039D Гардиан.
KIT MP309 от 1330,00
1 шт.
(на складе)
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADS8688IDBT
ADS8688IDBT
Texas Instruments
Арт.: 1490589 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 151 шт. от: 1690 руб.
Разрядность АЦП:16, количество каналов: 8, частота захвата сигнала: 500000, тип: SAR, цифровой интрефейс: SPI, напряжение: 4,75...5,25
ADS8688IDBT от 1690,00 от 3 шт. 1450,00 от 6 шт. 1310,00 от 12 шт. 1210,00 от 30 шт. 1150,00
47 шт.
(на складе)
104 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()