Типы цифровых фильтров в Delta-Sigma АЦП

Цифровые фильтры нижних частот имеют важное значение для функционирования дельта-сигма АЦП, которые основываются на передискретизации сигнала для выноса шума квантования за пределы спектра. Существует несколько типов цифровых фильтров, используемых в Delta-sigma АЦП, которые обеспечивают различные преимущества и недостатки, для использования в различных приложениях. Типы фильтров и компромиссы при их использовании обсуждаются в этой статье
2712
В избранное

Delta-sigma аналого-цифровые преобразователи (АЦП) отличаются от других типов преобразователей данных тем, что в них обычно интегрированы цифровые фильтры. Цифровой фильтр имеет решающее значение для обеспечения возможности получить заданное разрешение с помощью Дельта-сигма АЦП при различной полосе пропускания. В этой статье обсуждается возможность использования различных видов цифровых фильтров в Дельта-сигма АЦП в различных приложениях.

Цифровыe фильтры в Delta-sigma  АЦП

Чтобы понять, почему цифровой фильтр является важным элементом в дельта-сигма аналого-цифровом преобразовании, нужно иметь базовое понимание принципа работы дельта-сигма-модулятора. Модулятор получает входной сигнал от схемы выборки и хранения, которая будет дискретизировать вход АЦП с частотой (f MOD), во много раз превышающей частоту обновления выходных данных АЦП (f DR).

Модулятор состоит как минимум из одного интегратора и АЦП с низким разрешением (компаратора), который измеряет выходное напряжение интегратора с разрешением в несколько бит. Модулятор преобразует результат преобразования АЦП низкого разрешения обратно в аналоговый сигнал и передает его на вход модулятора, где он вычитается из входного напряжения в качестве средства исправления ошибок. Результатом является система обратной связи с дискретным временем, которая позволяет дискретизированным входным сигналам проходить с единичным усилением, при этом плотность шума квантования будет ниже на низкой частоте и выше на высокой частоте.

Чтобы уменьшить высокочастотный шум квантования, выход модулятора подается на цифровой фильтр нижних частот. В результате, полезный сигнал проходит через цифровой фильтр, в то время как большая часть высокочастотного шума квантования отфильтровывается.

На рис. 1 показан шум квантования и отклик обычного цифрового фильтра нижних частот, используемого в Дельта-сигма АЦП, называемого sinc- фильтром (его название происходит от его частотной характеристики sin(x)/ x.

Спектр шума квантования дельта-сигма модулятора и Sinc фильтра низких частот

Рис. 1. Спектр шума квантования дельта-сигма модулятора и Sinc фильтра низких частот

Sinc- фильтры, хотя и чрезвычайно распространены, не являются единственными типами цифровых фильтров нижних частот, используемых в дельта-сигма-АЦП. Например, некоторые АЦП, предназначенные для приложений с большим количеством помех в линии электропередачи, такие как ADS124S08, включают дополнительную фильтрацию шума 50 Гц и 60 Гц. С другой стороны, ADS127L01, разработанный для высокочастотных приложений, имеет широкополосный цифровой фильтр.

Цифровые фильтры в дельта-сигма-АЦП выполняют еще одну функцию - прореживание. Эти фильтры снижают частоту данных, получаемых из модулятора с частотой fMOD на коэффициент, известный как коэффициент передискретизации (OSR). Зависимость между FDR и FMOD задается формулой FDR = FMOD/OSR. Комбинация OSR и типа фильтра определяет выходную полосу пропускания цифрового фильтра и общую частотную характеристику АЦП. Большие значения OSR дают узкую полосу пропускания фильтра, что приводит к очень хорошим шумовым характеристикам, упрощенной схеме сглаживания и уменьшению скорости цифрового интерфейса для хост-контроллеров.

Большинство цифровых фильтров в Дельта-сигма АЦП имеют конечную импульсную характеристику (FIR, КИХ). Эти фильтры по своей природе стабильны и просты в конструировании и обладают линейной фазовой характеристикой. На рис. 2 и 3 показаны зависимости двух типов КИХ-фильтров в Дельта-сигма АЦП. На рис. 2 показан широкополосный фильтр в ADS127L01. Рис. 3 показывает характеристику классического sinc фильтра третьего порядка, или sinc3, используемого в ADS124S08 .

Частотная характеристика широкополосного фильтра

Рис. 2. Частотная характеристика широкополосного фильтра

Частотная характеристика Sinc 3

Рис. 3. Частотная характеристика Sinc 3

Преимущества использования широкополосного фильтра для измерений переменного тока ясно видны из его амплитудной характеристики. Практически фиксированный коэффициент усиления 0 дБ до частоты Найквиста (fDR/2) гарантирует отсутствие потерь мощности сигнала в полосе пропускания. Крутая граница перехода ограничивает алиасинг. Фильтр sinc3, с другой стороны, ослабляет сигналы до –3 дБ при 0,262fDR, и этот коэффициент медленно снижается даже после fDR/2, что увеличивает количество шума. По-видимому, широкополосный FIR-фильтр будет идеальным для любого применения; однако эта превосходная характеристика в частотной области имеет свою цену.

Давайте сравним широкополосный фильтр и sinc- фильтр во временной области. Широкополосный фильтр является фильтром очень высокого порядка, что означает, что для получения выходного сигнала ему требуется много времени. В широкополосном фильтре ADS127L01 потребуется 84 преобразования для получения значения на выходе. Фильтр sinc3 устанавливается после трех преобразований, позволяя быстро переключаться между несколькими входными каналами. Этот компромисс между частотной характеристикой и задержкой существует для всех FIR-фильтров.

Sinc фильтр

Название «sinc» происходит от его частотной характеристики, которая принимает форму функции sin (x)/x. Вид его характеристики на самом деле тесно связан с тем, почему он так часто используется в дельта-сигма АЦП.

Цифровой фильтр создает цифровой выходной код путем суммирования выходного сигнала модулятора за определенное количество тактовых импульсов модулятора. Отношение скорости модулятора (f MOD) дельта-сигма-АЦП к его выходной скорости передачи данных (f DR) называется OSR. Этот подход эквивалентен взятию скользящего среднего полученных значений за период выборки. Взятие скользящего среднего во временной области равно sinc-функции первого порядка в частотной области.

Величина усреднения увеличивается при последовательном каскадном соединении нескольких sinc фильтров, что увеличивает порядок фильтров. В спектральной характеристике это соответствует более низкой частоте среза и более высокому коэффициенту затухания на высоких частотах, что, в свою очередь, снижает шум. Рис. 4 показывает разницу в частотных характеристиках sinc фильтров первого (sinc 1), третьго (Sinc 3) и пятого (Sinc 5) порядка.

 Частотная характеристика цифровых фильтров Sinc 1, Sinc 3 и Sinc 5

Рис. 4. Частотная характеристика цифровых фильтров Sinc 1, Sinc 3 и Sinc 5

Из этих графиков видно, что цифровой фильтр имеет не очень большую полосу пропускания, что ограничивает возможности измерения. Но это не является недостатком во многих приложениях с низкой пропускной способностью. Некоторые прецизионные датчики, такие как датчики температуры и давления, не требуют большой полосы пропускания для измерения, но нуждаются в хорошем фильтре нижних частот для подавления внеполосного шума. Sinc фильтр хорошо вписывается в эти применения.

В ряде применений есть необходимость в мультиплексировании нескольких сигналов от входных датчиков. Для этого цифровой фильтр должен оперативно реагировать на изменение входного сигнала. Sinc фильтр идеально подходит для таких приложений, обладая намного более быстрым временем установления по сравнению с другими цифровыми фильтрами с более тонко настроенными частотными характеристиками.

Тем не менее, возможность выбора существует даже между типами sinc фильтров. Чем выше порядок sinc фильтра, тем больше времени потребуется для получения данных, но тем уже будет полоса пропускания. На рис. 5 показано, как фильтры sinc 1, sinc 3 и sinc 5 реагируют на единичный отсчет входных данных. Обратите внимание, что порядок фильтра sinc соответствует количеству выборок, которое требуется для установления значения сигнала на входе.

Отклик на ступенчатую функцию цифровых фильтров Sinc 1, Sinc 3 и Sinc 5

Рис. 5. Отклик на ступенчатую функцию цифровых фильтров Sinc 1, Sinc 3 и Sinc 5

Некоторые преобразователи данных имеют слегка модифицированные sinc- фильтры. Например, в некоторых промышленных применениях электрические помехи существенно зашумляют сигнал на частоте 50 или 60 Гц. Цифровой фильтр, который может подавить помехи на частоте сети, обеспечивает высокий уровень PSR.

Во многих случаях эти фильтры могут использоваться для пошагового ввода в одном цикле преобразования. Однако фильтр, который устанавливается в пределах одного цикла, не будет иметь такого же уровня внеполосного подавления, как немодифицированный sinc- фильтр более высокого порядка. На рис. 6 показан отклик цифрового фильтра в ADS124S08, при скорости передачи данных 20 SPS с использованием фильтра с низкой задержкой. Обратите внимание, что этот фильтр одновременно подавляет 50 и 60 Гц. Обычный sinc- фильтр потребовал бы для достижения аналогичного результата скорости передачи данных 10 SPS при использовании целочисленного делителя, поскольку минимумы характеристики имели бы кратность 10 Гц.

Характеристика цифрового фильтра ADS124S08, f DR = 20 SPS

Рис. 6. Характеристика цифрового фильтра ADS124S08, f DR = 20 SPS

Таким образом, sinc фильтр используется в качестве основного фильтра нижних частот в дельта-сигма АЦП. Их разумный уровень затухания в полосе пропускания в сочетании с быстрым откликом делают их идеальными для приложений измерения постоянного тока, особенно при мультиплексировании между несколькими входными сигналами.

Широкополосный фильтр

Хотя дельта-сигма-АЦП с sinc- фильтрами отлично подходят для приложений с низкой пропускной способностью, дельта- сигма архитектура также может быть с большим успехом использована и в приложениях с более высокой пропускной способностью. К примеру, этот тип преобразователей можно использовать для точного измерения аудио сигнала или вибрации. Испытательное и измерительное оборудование, требующее высокой пропускной способности, является еще одним приложением, хорошо подходящим для Delta-sigma АЦП. Для этих применений вместо sinc фильтра нужно использовать широкополосный фильтр.

Для приложений переменного тока требуется широкая полоса пропускания с небольшим затуханием, но при этом требуется точность, которая является стандартной для топологии с избыточной дискретизацией дельта-сигма АЦП. Вот почему в некоторых АЦП реализованы широкополосные фильтры с резкой границей. 24-разрядный дельта- сигма- АЦП ADS127L01, имеет как раз такой фильтр. На рисунке 7 показана амплитудно-частотная  характеристика фильтра вплоть до частоты выходных данных f DR АЦП, которая составляет 512 кГц. Обратите внимание, насколько круто меняется характеристика фильтра в районе частоты среза, примерно равной  f DR/2.

Это позволяет радикально ограничить нежелательные сигналы или шумы в процессе преобразования. Уровень подавления сигнала имеет величину порядка –116 дБ вплоть до частоты модулятора f MOD АЦП.

Амплитудно-частотная характеристика для широкополосного фильтра в ADS127L01 до f DR

Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика для широкополосного фильтра в ADS127L01 до f DR

Для приложений с более высокой пропускной способностью sinc фильтр является менее подходящим по нескольким причинам. Во-первых, частотная характеристика снижается очень рано и падает на относительно низких частотах. Это ограничивает ширину полосы полезного сигнала.

В то же время, широкополосный фильтр обладает почти идеально плоской характеристикой, примерно до f DR/2, максимизируя ширину пропускания полезного сигнала для любой заданной скорости передачи данных.

Во-вторых, алиасные помехи более важны для приложений переменного тока. Sinc фильтр не является идеальным для таких приложений, поскольку он не обеспечивает подавление в достаточной степени при половинной скорости передачи данных, FDR/2, АЦП. А широкополосный фильтр гарантирует исключительное затухание за пределами полосы пропускания, что сводит к минимуму возможное наложение.

Для АЦП без встроенных цифровых фильтров возможности реализации сглаживания ограничены. Аналоговые сглаживающие фильтры высокого порядка с крутыми границами, как известно, сложны в разработке и зависят от допусков компонентов и температуры. В качестве альтернативы возможна дополнительная цифровая фильтрации в процессоре, но это требует часть ресурсов процессора, которых может быть недостаточно в высокоскоростных приложениях. Широкополосный фильтр в Delta-sigma  АЦП действительно решает эту проблему с помощью встроенной топологии «передискретизации, фильтра нижних частот, а затем децимации».

При использовании цифровых фильтров всегда нужно учитывать компромисс, заключающийся в том, что хорошая производительность в частотной области достигается за счет более длительного времени обработки. После применения ступенчатой функции к входу цифрового фильтра ADS127L01 требуется 84 такта, чтобы рассчитать конечный выходной синал. По этой причине, широкополосные фильтры не являются идеальными для приложений, в которых требуется переключение между входами источников нескольких сигналов.

На рис. 8 показан пошаговый отклик широкополосного фильтра ADS127L01.

Рис. 8. Реакция широкополосного фильтра ADS127L01 на ступенчатую функцию

Рис. 8. Реакция широкополосного фильтра ADS127L01 на ступенчатую функцию

Фильтр имеет линейную фазовую характеристику, что означает, что его задержка из-за фазового сдвига будет постоянной. Для этого фильтра задержка составляет 42 выборки выходных данных.

Широкополосный цифровой фильтр в Дельта-сигма АЦП обеспечивает идеальный функциональный блок для точного измерения широкополосных сигналов, где не требуется мультиплексирование между различными источниками сигнала.

Плоская характеристика полосы пропускания с низкой пульсацией обеспечивает отсутствие потерь полезного сигнала, а крутой переход и превосходное затухание гарантируют необходимое сглаживание. При этом сохраняется точность, ожидаемая от дельта-сигма АЦП.

Источник: http://www.ti.com/lit/an/sbaa230/sbaa230.pdf

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADS127L01IPBS
ADS127L01IPBS
Texas Instruments
Арт.: 2172046 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 301 шт. от 1 шт. от 1267,53
Выбрать
условия
поставки
Analog to Digital Converters - ADC 24bit, 500kSPS ADC
ADS127L01IPBS от 1 шт. от 1267,53
301 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADS127L01IPBSR
ADS127L01IPBSR
Texas Instruments
Арт.: 2172047 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 361 шт. от 1 шт. от 1056,33
Выбрать
условия
поставки
24-разрядный аналого-цифровой преобразователь.
ADS127L01IPBSR от 1 шт. от 1056,33
361 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADS124S08IPBS
ADS124S08IPBS
Texas Instruments
Арт.: 2265688 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 356 шт. от 1 шт. от 1072,05
Выбрать
условия
поставки
Analog to Digital Converters - ADC 24Bit ADC
ADS124S08IPBS от 1 шт. от 1072,05
356 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADS124S08IPBSR
ADS124S08IPBSR
Texas Instruments
Арт.: 2265689 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 360 шт. от 1 шт. от 1060,20
Выбрать
условия
поставки
Analog to Digital Converters - ADC 24Bit ADC
ADS124S08IPBSR от 1 шт. от 1060,20
360 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADS124S08IRHBT
ADS124S08IRHBT
Texas Instruments
Арт.: 2320741 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 343 шт. от 1 шт. от 1111,57
Выбрать
условия
поставки
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 24-Bit, 4kSPS, 12-Ch Delta-Sigma ADC With PGA and Voltage Reference for Precision Sensor Measurement 32-VQFN -50 to 125.
ADS124S08IRHBT от 1 шт. от 1111,57
343 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()