Cosa è un convertitore ADC (Convertitore Analogico-Digitale)?

Cosa è un Convertitore A/D (ADC)?

Il Convertitore Analogico-Digitale (ADC) è uno dei componenti fondamentali dei moderni sistemi di acquisizione (vedi sistemi DAQ o DAS). Questi sistemi si compongono dei seguenti componenti di base:

• Sensori

• Condizionamento di Segnale

• Convertitore Analogico-Digitale (ADC) (questo articolo)

• E un computer che esegui il software DAQ per registrazione dei dati ed analisi.

I convertitori ADC svolgono un ruolo importante nei moderni sistemi di acquisizione dati digitali.

Per saperne di più sull'acquisizione dei dati:

Cosa è un Sistema di Acquisizione Dati - DAQ o DAS?La guida completa all'acquisizione dati (DAQ). Scopri come funzionano i sistemi DAQ e quali sono gli elementi base dei moderni sistemi di acquisizione dati digitali.

Cosa fa un Convertitore A/D?

Lo scopo principale di un convertitore A/D nel sistema di acquisizione dati è convertire i segnali analogici condizionati nel flusso di dati digitali in modo che il sistema di acquisizione possa processarli, mostrarli, memorizzarli ed analizzarli

Principali Tipi di Convertitori A/D

Anche se esistono cinque tipi principali di ADCs, nel dominio dei moderni sistemi DAQ, si trovano in pratica solo due:

• approssimazioni successive e

• sigma-delta 

Gli altri tipi sono comunque validi ma più orientati ad applicazioni non-DAQ. Per esempio dual-slope ADCs sono abbastanza lenti ed utilizzati nella maggior parte dei tester (voltmetri).

Poi ci sono i flash ADCs che offrono una frequenza di campionamento altissima ma la risoluzione è troppo bassa per le tipiche applicazioni DAQ. I Pipeline converter ADCs combinano più convertitori flash per migliorare la risoluzione, ma il loro impiego è limitato.

Comparazione dei principali Tipi ADC

Il mondo dei DAQ si è adagiato sui sistemi ADCs SAR (approssimazioni successive) e ADCs sigma-delta (ΣΔ). Ognuno dei due ha vantaggi e svantaggi e quindi consigliabile per alcune applicazioni. 

ADCs ad Approssimazioni Successive (SAR)

Il convertore analogico-digitale SAR è il più blasonato nel mondo dei DAQ. Offre un bilanciamento eccellente tra risoluzione e velocità e gestisce una grande varietà di segnali con eccellente fedeltà.

E' sul mercato da molto tempo, pertanto i circuiti SAR sono stabili e affidabili, ed i chip sono relativamente economici. Possono essere configurati sia per le schede A/D di fascia bassa, dove un singolo chip ADC viene "condiviso" da più segnali di ingresso (scheda A/D multiplexata), oppure in configurazioni dove ciascun canale di ingresso ha il suo ADC per un campionamento sincrono.

Il range di misura della maggior parte degli ADCs è 5V, che è il motivo per cui praticamente tutti i front-end analogici per condizionamento di segnale generano lo stesso valore in output. Il convertitore SAR tipico utilizza un circuito sample-and-hold che prende in ingresso il segnale analogico dal front-end di condizionamento.

Un DAC a bordo crea una tensione di riferimento pari al valore dell'uscita digitale e mantiene il valore nel circuito. Sia il segnale in ingresso che quello ricostruito vengono ricevuti da un comparatore che invia il risultato della comparazione al SAR. Il processo continua per "n" successive volte, con "n" pari alla risoluzione del convertitore stesso, fino a che l'ampiezza del segnale analogico non diventa molto vicina al valore del segnale digitale.

Gli ADCs SAR non integrano il filtro anti-aliasing (AAF), quindi a meno che questo non venga aggiunto prima dell'ADC in un sistema DAQ, se l'utilizzatore sceglie una frequenza di campionamento troppo bassa, l'ADC SAR digitalizzerà dei segnali non reali (o "alias"). L'alias costituisce un grave problema in quanto non è possibile correggerlo a seguito della digitalizzazione.

Non c'è modo di mettere a posto le cose via software. Bisogna assicurarsi sempre di aver impostato una frequenza di campionamento più alta della frequenza di Nyquist per tutti i segnali di ingresso oppure filtrare i segnali prima dell'ADC.

Per maggiori dettagli vedi sotto la sezione Aliasing e il Pericolo del Sotto-campionamento

Gli ADCs SAR sono una scelta solida per parecchi sistemi DAQ in commercio. Sono ampiamente utilizzati per sistemi di fascia bassa in quanto possono essere utilizzati in configurazione multiplexata dove più canali sono campionati con un ADC. Ma sono anche utilizzati per sistemi di fascia media per via dell'alta velocità e della buona risoluzione in ampiezza.

Ad ogni modo, non avendo una risoluzione eccezionale, non sono particolarmente adatti per acquisizione di segnali con alta dinamica come ad esempio rumore, audio, shock e vibrazione, bilanciamento, sine processing, etc. Per queste applicazioni, gli ingegneri dovrebbero passare a sistemi convertitori sigma-delta, come meglio descritto nella prossima sezione.

ADCs Sigma-Delta (ΣΔ)

L'ADC Delta-Sigma ΔΣ (o Sigma-Delta ΣΔ) è un nuovo approccio che si avvantaggia della tecnologia DSP per migliorare la risoluzione verticale e ridurre il rumore di quantizzazione ad alta frequenza che è tipico dell'architettura SAR.

La soluzione complessa e potente del convertitore sigma-delta ADC lo rende ideale per applicazioni dinamiche e che richiedono la più alta dinamica del segnale possibile. Questo è il motivo per cui sono ampiamente utilizzati in applicazioni audio, acustica e vibrazione, e un grande range di acquisitori di alta fascia.

Un filtro passa basso è implementato dalla DSP per eliminare virtualmente tutto il rumore di quantizzazione, e raggiungere un eccellente rapporto segnale-rumore.

L'utilizzo di questi chips nelle applicazioni di acquisizione dati in combinazione con un'attenta progettazione di front-end con filtri anti-aliasing, rendono praticamente impossibile la digitalizzazione di falsi segnali.

Integrando un filtro analogico alla massima frequenza di Nyquist, e poi trattando il segnale con il DSP utilizzando un algoritmo dinamico che si adatta alla frequenza di acquisizione, si raggiungono performances superbe.

ADCs a doppio Sigma-Delta - DualCoreADC®

Dewesoft ha ulteriormente migliorato questi convertitori combinandone due per ciascun canale di input. Un ADC è utilizzato in combinazione con basso guadagno analogico ed il secondo con un alto guadagno. Entrambi gli ADC leggono il segnale in ingresso allo stesso istante, e un circuito brevettato li compara in real-time scegliendo quello con migliore rapporto segnale-rumore in ciascun istante. I due segnali digitali, quindi, vengono convertiti in un unico flusso con range dinamico enormemente incrementato.

Questa tecnica incrementa enormemente il range dinamico, raggiungendo performances impossibili da raggiungere con un singolo convertitore ADC, arrivando a range dinamici di 160 dB. Questa tecnologia è stata brevettata da Dewesoft con il nome di ​​​​​DualCoreADC.

E' interessante notare che anche in presenza di segnali molto lenti, come quelli provenienti dalle termocoppie, ottengono grande vantaggio da questa tecnologia, grazie alla generosa risoluzione verticale, rispetto a quanto ottenibile con gli ADC SAR.

Basti immaginare una termocoppia in grado di misurare un range di 1500°C - maggiore è la risoluzione verticale, maggiore sarà la risoluzione in temperatura. Ricordati che ogni bit in più raddoppia la risoluzione verticale.

Cosa è Meglio? SAR o Sigma-Delta?

Ogni tecnologia ADC funziona bene quando utilizzata nell'applicazione giusta. Le applicazioni sono così diverse che è impossibile dire che una tecnologia è migliore delle altre in assoluto. E' comunque assolutamente possibile dire che una delle due è migliore rispetto ad una o più specifiche delle moderne applicazioni:

Lo Strumento Giusto per ogni scopo

Anche se Dewesoft è nota per l'utilizzo dei convertitori ADC 24-bit sigma-delta, ed ha innovato notevolmente con la tecnologia DualCoreADC, utilizza i convertitori 16-bit SAR per raggiungere la frequenza di campionamento di 1 MS/s nei sistemi della famiglia SIRIUS DAQ, in particolare nei i front-end SIRIUS HS (high speed).

Le serie SIRIUS standard e HD (high density) utilizzano invece convertitori 24-bit sigma-delta.

I moduli SIRIUS HS implementano potenti filtri AAF con caratteristica del 5° ordine a 100kHz. E' implementato anche un filtro aggiuntivo digitale selezionabile tra Bessel, Butterworth (o bypass), fino all'8° ordine. Potenti filtri anti-aliasing sono integrati in tutti i convertitori a 24-bit Dewesoft.

Sistemi Multiplexati o Convertitori Indipendenti per ogni Canale

Molto spesso i sistemi di acquisizione dati di bassa fascia, come i data loggers o sistemi di controllo industriale, utilizzano schede A/D multiplexate perché sono più economiche delle schede con ADC indipendenti per ciascun canale.

In un sistema ADC multiplexato, un singolo convertitore analogico-digitale viene utilizzato per convertire parecchi segnali dal dominio analogico a quello digitale. Questo viene realizzato multiplexando un segnale analogico per volta sull'ADC.

Questo è un approccio a basso costo che non permette l'allineamento preciso dei segnali sulla scala tempi, proprio a causa del fatto che solo un canale alla volta può essere letto. C'è sempre uno sfasamento tra canali. Se un piccolo sfasamento è irrilevante per una data applicazione, allora non va necessariamente considerato come un aspetto negativo.

In aggiunta, visto che la frequenza di campionamento massima va suddivisa per il numero dei canali acquisiti, la massima frequenza di campionamento è normalmente bassa in un sistema di acquisizione multiplexato, eccetto in casi dove solo uno o pochi canali sono campionati.

Attualmente, i sistemi ADC multiplexati sono principalmente utilizzati come sistemi DAQ di bassa fascia, dove il costo è più importante della precisione o la velocità di campionamento.

Cosa è la Frequenza di Campionamento?

La velocità con la quale i segnali sono convertiti è chiamata frequenza di campionamento. Alcune applicazioni, come ad esempio la maggior parte di quelle che richiedono la misura di temperatura, non richiedono frequenze di campionamento alte in quanto il segnale fisico non cambia molto rapidamente.

Ad ogni modo, tensioni e correnti AC, shock e vibrazioni, e molte altre applicazioni richiedono frequenze di campionamento di decine, centinaia o migliaia di campioni al secondo o più. La frequenza di campionamento è generalmente riferita all'asse T (oppure X) della misura.

Dewesoft produce Sistemi DAQ con le seguenti frequenze di campionamento massime:

Aliasing ed il Pericolo del Sotto-Campionamento

La comprensione dei segnali che stai misurando e la loro massima frequenza è un aspetto importante per ottenere misure precise.

Per esempio, immaginiamo di voler misurare un segnale proveniente da un accelerometro.

Se ci aspettiamo vibrazioni con frequenze fino a 100Hz, dobbiamo impostare la frequenza di campionamento almeno al doppio (frequenza di Nyquist) ma in pratica un sovracampionamento di dieci volte consente di ottenere una buona rappresentazione della forma del segnale. Quindi in questo esempio, imposteremmo una frequenza di campionamento di 1000Hz e procederemmo diretti con la misura.

In teoria, dovrebbe andare tutto bene, ma come facciamo a sapere che il segnale non abbia delle componenti non trascurabili ad alta frequenza ? In tal caso il sistema non riuscirebbe a convertire il segnale in digitale con precisione. Ed infatti, estremizzando, i valori misurati potrebbero anche essere completamente sbagliati.

Per capire il fenomeno dell'aliasing, guarda un filmato realizzato con una vecchia telecamera a 24 campioni al secondo che inquadra un automobile durante un sorpasso - a seconda della velocità potresti notare che le ruote girano al contrario, o non girano per niente.

Questo è una specie di effetto visuale stroboscopico causato dalla relazione armonica tra la frequenza di rotazione della ruota e la velocità di fotografare della telecamera. Probabilmente ti è capitato di vedere video dove una telecamera effettuava fotogrammi con velocità dell'otturatore sincronizzato con la velocità di rotazione delle pale di un elicottero, nel quale sembra che l'elicottero sia appeso in aria e le sue pale non ruotano per niente.

Nei video amatoriali questi effetti non sono molto importanti, ma realizzando misure per scopi scientifici, se realmente crediamo che le ruote di un'automobile possono girare al contrario, o le pale dell'elicottero possono rimanere ferme, quando in realtà girano abbastanza veloci, questo potrebbe essere un problema serio.

In termini di digitalizzazione dei segnali con il nostro ADC, è importante che la frequenza di campionamento sia settata correttamente. Se la impostiamo troppo alta, sprechiamo potenza di calcolo e otterremo file dati molto grandi senza utilità. Ma se la impostiamo troppo bassa potremmo avere due problemi:

1. La perdita di componenti dinamiche importanti

2. La ricostruzione di falsi ("alias") segnali (se il sistema non è provvisto di opportuni filtri anti-aliasing)

Prevenire Aliasing

I prodotti Dewesoft prevengono il fenomeno dell'aliasing utilizzando convertitori ADCs a 24-bit con filtri anti-aliasing (AAF) integrati. Questi filtri funzionano a diversi livelli, incluso la regolazione automatica della Frequenza di Nyquist (normalmente circa 40%) della frequenza di campionamento selezionata. Quindi anche se selezioni una frequenza di campionamento troppo bassa, segnali fittizi o "alias" non possono danneggiare la misura.  

Cosa è la Risoluzione in bit e Cosa Comporta?

Agli albori dei sistemi di acquisizione, i convertitori ADCs 8-bit erano comuni. Oggi, nel mondo dei sistemi DAQ, i convertitori ADC a 24-bit sono lo standard per la maggior parte dei sistemi di acquisizione progettati per misure dinamiche ed i convertitori a 16-bit sono considerati in generale la risoluzione minima per i segnali. Alcuni sistemi di bassa fascia utilizzano ADC a 12-bit.

Poiché ogni bit di risoluzione ha l'effetto di raddoppiare la possibile risoluzione, i sistemi con ADC a 24-bit forniscono 2^24 = 16,777,216 divisioni. Quindi un segnale in ingresso di un volt può essere diviso in più di 16 milioni di divisioni sull'asse Y. 

16,777,216 di divisioni per un ADC a 24-bit sono decisamente meglio dei massimo numero di divisioni teoriche​​​​​​ 65,656 di un convertitore a 16-bit. La ricostruzione delle forme d'onda è molto più accurato e le misure sono molto più precise con l'aumentare della risoluzione. E questo concetto è anche applicabile all'asse tempi.

DualCoreADC® Technology e perché è Importante

Un limite che gli ingegneri hanno avuto per anni, è l'effettivo range dinamico sull'asse Y. Per esempio: cosa succede se abbiamo un segnale normalmente inferiore a 5 volts, che in certi istanti può crescere parecchio? Se impostiamo la risoluzione del convertitore ADC per misurare i livelli 0-5V, il sistema sarà completamente in overload quando i segnali crescono.

Si potrebbero utilizzare due canali con guadagni diversi in modo da avere uno dei due sul range 0-5V e l'altro su ampiezze più alte. Questo metodo risolve il problema ma è decisamente inefficiente - non possiamo pensare di utilizzare due canali pre ogni segnale di ingresso - avremmo necessità del doppio dei sistemi DAQ per effettuare lo stesso lavoro. In aggiunta, questo complicherebbe notevolmente l'analisi dei dati acquisiti con tempi di elaborazioni molto più lunghi.

La tecnologia Dewesoft DualCoreADC® risolve questo problema utilizzando due convertitori a 24-bit per ciascun canale, passando da uno all'altro in tempo reale, per creare un unico flusso dati. Questi due ADCs misurano sempre il segnale con guadagno alto e basso contemporaneamente. Il risultato è la misura del completo range del sensore prevenendo la saturazione del canale e quindi tagli del segnale. technology solves this problem by using two separate 24-bit ADCs per channel, and automatically switching between them in real-time and creating a single, seamless channel. These two ADCs always measure the high and low gain of the input signal. This results in the full possible measuring range of the sensor and prevents the signal from being clipped.

Grazie alla tecnologia DualCoreADC® i sistemi SIRIUS DAQ raggiungono un rapporto segnale rumore superiore a 130 dB e un range dinamico maggiore di 160 dB. Performances di dinamica e di rumore circa 20 volte superiori dei tipici sistemi a 24-bit.

Sommario

La scelta della corretta tecnologia ADC da impiegare dovrebbe essere sempre basata sulle necessità dell'applicazione. Se hai necessità di misurare principalmente segnali statici o quasi-statici (lenti), probabilmente non necessiti di un sistema molto veloce, ma altrettanto probabilmente avrai necessità della più alta risoluzione verticale possibile. 

Per i sistemi industriali fissi tipicamente le performances richieste non cambiano nel tempo ed è di solito semplice scegliere la corretta tecnologia.

Per i sistemi DAQ utilizzati nel testing, d'altra parte, è più complicato prendere una decisione in quanto i sistemi sono utilizzati in una grande varietà di applicazioni. La scelta migliore in questo caso dovrebbe ricadere sulla tecnologia che fornisce le migliori performances e protezione contro rumore, aliasing, e obsolescenza.

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