Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 14 октября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Сигма-дельта АЦП компании MAXIM

Прецизионные измерения, а также измерения в широком динамическом диапазоне довольно часто ассоциируются с сигма-дельта аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Компания Maxim предлагает широкий ассортимент преобразователей для решения самых разнообразных задач при построении приборов — от батарейных переносных до составных частей больших индустриальных систем. В статье приведены краткие описания, характеристики и примеры использования новейших микросхем.

Расчет шумовых параметров АЦП

В статье изложена общая методика проектирования усилительного каскада с АЦП и приведен пример расчета. Статья представляет собой несколько сокращенный вариант [1].

Реализация интерфейса беспроводной сети на FPGA

В статье обсуждаются проблемы разработки контроллера беспроводной сети стандарта IEEE 802.11 на базе FPGA. Рассмотрены особенности построения платформы интерфейса беспроводной сети с использованием FPGA Virtex-4. Показано, что выполнение совместной верификации проекта на FPGA и ASIC позволяет создать высоконадежный конечный продукт, который полностью готов к сертификации на требования стандарта IEEE 802.11. Статья представляет собой перевод [1].

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

18 февраля

АЦП: спор архитектур с точки зрения энергоэффективности

В журнале ЭК №5, 2010 г., была опубликована первая часть статьи, в которой в форме состязания сравнивались две архитектуры преобразователей: АЦП последовательного приближения и сигма-дельта АЦП. По итогам 7-раундового матча была зафиксирована ничья: каждый из двух типов АЦП сумел добиться преимущества при решении определенной задачи. Во второй части статьи сравнивается энергоэффективность двух архитектур АЦП. Публикация представляет собой перевод [1].



Архитектура АЦП последовательного приближения хорошо известна своей высокой энергоэффективностью. Сигма-дельта АЦП является относительным новичком на рынке преобразователей по сравнению с АЦП последовательного приближения, однако его популярность постоянно растет благодаря высокой точности преобразования, монотонности характеристики преобразования и другим свойствам. Кто выиграет спор при сравнении энергоэффективности двух архитектур преобразователей?

АЦП последовательного приближения

В начале цикла преобразования АЦП последовательного приближения ЦАП устанавливается на середину шкалы, и производится сравнение измеряемого и выходного напряжений ЦАП (см. рис. 1). На каждом шаге преобразования ЦАП обновляется, выбирается очередной бит и производится следующее сравнение. Цифровое представление входного напряжения находится путем двоичного поиска (последовательного приближения). Структура регистра последовательного приближения определяет, что n-битный регистр последовательного приближения требует n периодов сравнения и не будет готов к следующему циклу преобразования до тех пор, пока текущий цикл не завершится. Это означает, что с точки зрения энергопотребления рассеиваемая мощность (и площадь кристалла) возрастает с увеличением разрешения и частоты выборки.

В настоящее время почти в каждом устройстве с батарейным питанием есть, по крайней мере, один АЦП. Поскольку требования по потребляемой мощности становятся все более жёсткими, некоторые поставщики полупроводников начали предлагать различные режимы энергопотребления вместе с ограничением по входной полосе, и пользователи получают больше возможностей при выборе оптимального соотношения между мощностью потребления и скоростью, разрешением и отношением сигнал-шум. Например, в архитектуре программируемой системы на кристалле PSoC 5 компании Cypress Semiconductor предусмотрено четыре режима энергопотребления для встроенного АЦП последовательного приближения, и установка более высокой потребляемой мощности обеспечивает более высокую производительность АЦП.

На рисунке 2 показан пример конфигурирования АЦП последовательного приближения и несколько режимов энергопотребления АЦП: высокий (high), средний (medium), низкий (low) и минимальный (minimum), каждый из которых соответствует максимальной мощности потребления, её половине, одной трети и одной четвертой. Такой компонент АЦП предназначен для использования в любом приложении со средней скоростью работы (максимальная частота выборки 1 МГц) и средним разрешением (максимальное разрешение 12 бит).

Различные режимы энергопотребления оказывают влияние на производительность АЦП. Режимы малого энергопотребления способны поддерживать более низкую входную полосу пропускания, а также уменьшенную производительность АЦП. Тактовую частоту необходимо снизить пропорционально потребляемой мощности, и производительность уменьшится в той же пропорции.

Рис. 1. Топологии сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения
Рис. 2. Пример конфигурирования АЦП последовательного приближения

Сигма-дельта АЦП

Сигма-дельта АЦП использует ту же топологию с интегратором и компаратором, что и инкрементные преобразователи (см. рис. 1). Вместо интегрирования выхода компаратора в счётчике он обрабатывается в дециматоре. Дециматор дважды интегрирует вход на частоте выборки. Выход двойного интегратора выбирается на частоте децимации (которая обычно составляет 1/64 от частоты выборки) и вычитается из последнего выходного значения, представленного в дифференциальном виде (sinc2-фильтр).

Как и в АЦП последовательного приближения, поставщики сигма-дельта АЦП начинают предлагать гибкий набор режимов энергопотребления для различных требований проекта. На рисунке 3 показан пример конфигурирования сигма-дельта АЦП.

Сигма-дельта АЦП обеспечивает маломощный интерфейс для прецизионных измерений с низким уровнем шума. Он пригоден для использования в широком спектре приложений в зависимости от разрешения, частоты выборки и режима работы. Сигма-дельта АЦП применяется в 16-битном преобразовании для аудио, высокоскоростных системах преобразования с низким разрешением для коммуникаций и высокоточном 20-битном преобразовании на низкой частоте для систем датчиков, в том числе тензодатчиков, термопар и других высокоточных сенсорных устройств. В данном примере возможные режимы энергопотребления включают: однократную выборку (single-sample), многократную выборку (multi-sample), непрерывную выборку (continuous) и многократную выборку в быстром режиме (multi-sample-turbo).

В режиме однократной выборки АЦП выполняет одно преобразование выборки за каждый запуск. Непрерывная выборка используется для того, чтобы производить многократную последовательную выборку одного входного сигнала. Многократная выборка подобна непрерывной выборке, за исключением того, что производится сброс АЦП между выборками. Многократная выборка в быстром режиме идентична многократной выборке для разрешения 8—16 бит.

Для разрешения 17—20 бит производительность системы примерно в четыре раза больше, чем в режиме многократной выборки, потому что АЦП сбрасывается только один раз в конце преобразования. При обработке аудиоинформации сигма-дельта АЦП используется в непрерывном режиме. Для сканирования множества датчиков сигма-дельта АЦП используется в одном из режимов многократной выборки. Для одноточечных измерений с высоким разрешением сигма-дельта АЦП используется в режиме однократной выборки.

Эти режимы сочетаются с установками для автоматического питания, чтобы исключить для пользователей проблемы, связанные с ручной настройкой каждого каскада внутри АЦП для достижения оптимального баланса между производительностью и потребляемой мощностью.

При сохранении периода дискретизации, разрешения, скорости преобразования и тактовой частоты на постоянном уровне потребляемая мощность принимает минимальное значение, когда сигма-дельта АЦП работает в режиме однократной выборки. Рассеиваемая мощность возрастает при переходе от режима многократной выборки к непрерывной выборке и достигает наивысшего значения при многократной выборке в быстром режиме.

Рис. 3. Пример конфигурирования сигма-дельта АЦП

Решение судейской коллегии

АЦП последовательного приближения имеет определённые преимущества перед сигма-дельта АЦП благодаря своим характеристикам по потребляемой мощности, которая увеличивается с ростом разрешения и скорости работы АЦП, однако даже при этом в итоге состязания судьи вновь зафиксировали ничью. По двум причинам.

1. Исходя из особенностей перспективных архитектур систем на кристалле, разработчики должны решать проблему снижения потребляемой мощности, с точки зрения системы в целом, а не отдельного компонента, и архитектура сигма-дельта АЦП обеспечивает больше доступных средств для снижения рассеиваемой мощности на кристалле. В примере, приведенном выше, остальными доступными методами уменьшения мощности, потребляемой сигма-дельта АЦП, являются: а) отключение усиления входного буфера для снижения общей потребляемой мощности; буфер интерфейса с высоким входным импедансом (с программируемым усилением) может быть при необходимости отключен (и отключен от питания); б) активирование внутренней схемы накачки заряда, которая работает на высокой тактовой частоте. Когда выбрана эта опция, тактовый сигнал более низкой частоты подается в схему накачки заряда, что может уменьшить потребляемую мощность на 100...300 мкА для PSoC 5.

2. АЦП последовательного приближения требует применения дополнительного фильтра подавления помех при наложении спектра для предварительной обработки данных, чтобы достичь того же уровня точности, что и сигма-дельта АЦП. Внешние компоненты увеличивают общее энергопотребление системы. В сигма-дельта АЦП обычно не требуются фильтры подавления помех с крутым спадом характеристики на аналоговых входах, т.к. частота выборки намного выше эффективной полосы пропускания. В сигма-дельта АЦП используется передискретизация для того, чтобы распределить шум квантования по более широкому частотному спектру. Частотный спектр этого шума перемещается за пределы полосы входного сигнала. Это делает сигма-дельта АЦП подходящими как для высокоскоростных приложений со средним разрешением, так и для низкоскоростных приложений с высоким разрешением без необходимости использования каких-либо внешних компонентов. С другой стороны, совместно с АЦП последовательного приближения обычно используется фильтр ввиду недостаточной входной фильтрации или присутствия других внутренних механизмов, которые отвечают критерию Найквиста.

Литература

1. Andrew Siska, Meng He. Golden Gloves ADC Match, Round 2: SAR vs. Sigma-delta & Efficiency//www.eetimes.com.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Эндрю Сиска (Andrew Siska), старший инженер по применению, Cypress Semiconductor Corp.,Менг Хе (Meng He), менеджер продукта, Cypress Semiconductor Corp. .



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты