Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 12 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Снижение стоимости мониторинга электросетей с помощью высокопроизводительных АЦП с одновременной выборкой

Стремление повысить мощность и снизить расход энергии стимулируют рост инвестиций в развитие единой инфраструктуры электросетей. В результате системы мониторинга электросетей становятся критическими элементами в новых интеллектуальных энергетических системах как в однофазных, так и в многофазных приложениях. Чтобы удовлетворить жесткие требования к таким системам мониторинга, разработчики систем релейной защиты или многоканальных систем SCADA используют высокопроизводительные многоканальные АЦП с одновременной выборкой.

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].

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.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

1 июля

В чем разница между точностью и разрядностью АЦП?

Очень часто разрядность АЦП отождествляют с его точностью. Это не всегда верно. В статье объясняется, в чем состоит разница между этими параметрами.



В

ступление

В технической документации производители указывают характеристики АЦП по-разному, и это сбивает с толку инженеров. Самые большие споры вызывают два параметра: разрешение и точность. Попробуем разобраться, чем они отличаются, как соотносятся с другими характеристиками, такими как динамический диапазон или порог шума, и как их применять.

Динамический диапазон, точность и разрешение
Динамический диапазон (ДД) есть разница между максимальным и минимальным сигналами, которые может измерить преобразователь. В качестве максимального сигнала  может быть взят размах, амплитуда или среднеквадратичное напряжение полной шкалы (ПШ). Эти величины разные. Например, для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В размах составляет 2 В, а среднеквадратичное напряжение — 0,707 В. В качестве минимально различимого сигнала обычно берут среднеквадратичное напряжение шума на входе АЦП в отсутствие сигнала. Это значение зависит от полосы частот, на которой оно измеряется. При удвоении частоты шум увеличивается в 1,41 раза или на 3 дБ. Важно понимать, что ДД — величина, относящаяся к какой-либо частотной полосе. Часто ДД и отношение сигнал-шум (SNR) устройства считают одной и той же величиной и измеряют в дБ:

 

ДД = SNR = VПШ/Vш = 20 lg (VПШ/Vш).

 

Иногда производители берут не среднеквадратичное напряжение ПШ, а его амплитуду или размах, чтобы «увеличить» динамический диапазон на несколько дБ.
Разрешение и точность — параметры, которые часто путают, когда речь идет о производительности АЦП. Разрешение — это количество разрядов, используемых при оцифровке входного сигнала. Например, 16-разрядный АЦП разбивает шкалу на 216 (65536) позиций выходного кода. Минимальный сигнал, который устройство может измерить, равен 1 разряду (МЗР — младший значащий разряд) или 1/65536 доле напряжения ПШ.
Точность АЦП характеризует, насколько близко фактический выходной код совпадает с теоретическим для данного входного аналогового сигнала. Другими словами, это количество разрядов выходного кода, которые несут полезную информацию о входном сигнале.
Как уже говорилось, точность АЦП может оказаться намного ниже разрешения из-за внутренних и внешних источников шума. В этом случае 4 МЗР — это случайный шум АЦП. Часто ДД преобразователя и его точность — это одно и то же. На рисунке 1 приведена общая схема АЦП.

 

Рис. 1. Общая схема АЦП

 

Идеальный преобразователь генерирует выходной код как функцию аналогового входного и опорного напряжений:

 

Выходной код = VПШ [VIN+ – VIN-]/[VREF+ – VREF-] = VПШ VIN/VREF.

 

Каждый выходной код — это доля опорного напряжения.
Важно заметить, что ДД преобразователя должен соответствовать максимальной амплитуде преобразуемого сигнала, чтобы точность преобразования была наиболь-
шей.
Пусть входной сигнал меняется в пределах 0...2,5 В, а VREF = 3,3 В, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Несогласованный входной сигнал АЦП

 

Как мы говорили, 16-разрядный АЦП генерирует 65536 кодовых позиций или шагов, МЗР = 3,3/65536 = 50,35 мкВ. Для идеального АЦП все коды будут иметь одинаковую ширину, равную 1 МЗР. Максимальное входное напряжение составляет 2,5 В, это 49652 выборки. Соответственно, 15884 кода не используются, поэтому эффективная разрядность (ENOB) или потеря в точности составят 0,4 разряда.
Потеря в ENOB оказывается тем больше, чем больше разница между максимальным входным сигналом и VREF. Если максимальный входной сигнал равен, например, 1,2 В, а VREF = 3,3 В, то ENOB уменьшится на 1,5 разряда. Именно поэтому важно согласовать динамический диапазон АЦП и максимальную амплитуду сигнала. Рассмотрим несколько примеров применения этих параметров.

Цифровая камера

Для простоты будем считать, что для цифровой камеры ДД — это диапазон от самого темного до самого яркого света, который можно обнаружить, выраженный в битах. Минимальная скорость передачи (разрешение) АЦП определяется динамическим диапазоном (точностью) датчика изображения. Например, если ДД равен 1000:1 (60 дБ), то АЦП должен иметь по крайней мере 10 разрядов (210 = 1024 уровня), чтобы информация не потерялась. На практике лучше сделать запас, например, использовать 12-разрядный преобразователь, чтобы свести к минимуму влияние помех.
Утверждать, что камера имеет точность 12 разрядов только потому, что такова разрядность АЦП бессмысленно, поскольку не приняты во внимание внешний шум и возможности пиксела.
Из сказанного выше становится ясно, что точность системы совпадает с разрядностью АЦП только в том случае, если датчик имеет достаточный ДД. Тоновый и динамический диапазоны системы не могут превышать ДД датчика. Понятия «12-разрядная камера» и «камера с 12-разрядным АЦП» — не одно и то же.

Резистивный датчик температуры
Обычно датчики этого вида изготавливаются из платины и имеют следующие характеристики: сопротивление при температуре 0°С = 100 Ом, изменение сопротивления на 1°С = 0,385 Ом, ток включения 1 мА, температурный диапазон 0...500°С.
Резистивные датчики работают при малом токе порядка 1 мА. При изменении температуры на 1°С сопротивление изменится на 0,385 Ом, поэтому малейшая погрешность измерения сопротивления приведет к большой ошибке в измерении температуры.
Резистивные датчики температуры регистрируют изменение температуры на 0,1°С. Это значение 1 МЗР в диапазоне 0...500°С. Соответствующее изменение сопротивления составляет 192,5 Ом. Отсюда напряжение в данном диапазоне будет равно 192,5 мВ, а ДД = VПШ/МЗР = 192,5 / 38,5 = 5000. Следовательно, для рассматриваемой системы подойдет 13-разрядный АЦП.
Поскольку напряжение на термометре варьируется в диапазоне 100...292,5 мВ с очень небольшим МЗР, чтобы его различил АЦП, то следует усилить сигнал. Пусть усилитель имеет постоянный коэффициент усиления 17. Тогда входное напряжение будет находиться в пределах 1,7…4,92 В. Как говорилось ранее (см рис. 2), при таком диапазоне входных напряжений АЦП используется не в полную силу. Принимая, что напряжение ПШ = 5 В, получаем, что ENOB = 1,44 ln [VПШ/МЗР] = 1,44 ln[5 В/ 38,5 мкВ] ≈ 17 разрядов. Для этой задачи лучше взять хороший сигма-дельта преобразователь.

Счетчики электроэнергии

Современные счетчики электроэнергии — сложные электронные устройства, имеющие высокую точность и широкий ДД. ДД счетчика первого класса равен 2000:1, минимальный входной сигнал составляет примерно 0,5 мВ, напряжение ПШ = 1 В.
Максимальная погрешность счетчика составляет 0,1%. Соответственно, точность должна быть не хуже 500 нВ — это минимальный допустимый входной сигнал. Количество выборок 1 В/500 нВ = 2·106. Это соответствует эффективной разрядности 21. Заметим, что при этом подходит не любой 21-разрядный АЦП. Необходимо, чтобы он имел очень низкий пороговый шум и различал столь малое входное напряжение. Еще более строгие требования предъявляются к току счет-
чика.
Точность АЦП зависит не только от производительности или другого параметра АЦП. Она определяется и внешними элементами схемы, поскольку ДД преобразователя определяется схемой устройства.

Литература

1. Arora M. ADC «Accuracy» Vs «Resolution»: I am so confused. What does my application really require?

 



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

Автор: Мохит Арора (Mohit Arora), инженер по схемотехнике, Freescale Semiconductor



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




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