Grant Maloy Smith

martedì 27 settembre 2022 · 0 min read

Storia dei Convertitori Analogico-Digitale (ADC)

In questo articolo imparerai a conoscere gli ADC (convertitori da analogico a digitale). Tratteremo l'argomento in modo sufficientemente approfondito da:

  • Imparare a cosa servono gli ADC e cosa fanno

  • Scoprire la storia e lo sviluppo degli ADC

  • Apprendere l'importanza degli ADC e il loro utilizzo oggi

Introduzione

Oggi diamo per scontata la tecnologia ADC. Ma non è sempre stato così. Prima che esistesse un modo per digitalizzare il mondo analogico intorno a noi e poi riprodurlo, la vita era molto diversa. Allora come siamo giunti sin qui? La risposta sta nella storia dei convertitori da analogico a digitale.

Comunicazione. Questa necessità dell'essere umano è stato l'impulso dietro l'invenzione del convertitore analogico-digitale (ADC). In effetti, quasi tutte le innovazioni tecnologiche che hanno portato all'ADC sono il risultato di ingegneri e scienziati che hanno cercato di migliorare i sistemi telegrafici e telefonici dal 1900 agli anni '50.

Cosa è un Convertitore Analogico Digitale?

Un convertitore da analogico a digitale, o ADC, è un sistema che converte i fenomeni analogici in un segnale digitale che può essere elaborato e memorizzato su computer. Un valido esempio è rappresentato dalla musica che, al giorno d’oggi,viene digitalizzata per esser disponibile su Internet ecc.

Nel mondo degli strumenti di misura scientifici, praticamente tutti i misurandi (quantità misurate) vengono digitalizzati, cioè convertiti nel dominio digitale. Le uscite analogiche di sensori come termocoppie, estensimetri, accelerometri, sensori di forza e spostamento ed altri ancora, sono digitalizzate per scopi di registrazione, visualizzazione ed analisi.

Scopri di più:

Tipi di convertitori ADC: la guida definitivaIn questo articolo imparerai i diversi tipi di convertitori A/D utilizzati nei sistemi di acquisizione dati e la tecnologia di base di ogni tipo di ADC.

1910: Tubi a Vuoto

La prima tra le tecnologie chiave per la storia dei convertitori ADC fu il tubo a vuoto, inventato nel 1906 da Lee DeForest. Le valvole a vuoto fungevano da amplificatori ed erano essenziali per il sistema telefonico, che faceva affidamento sui ripetitori per aumentare i livelli del segnale su lunghe distanze. 

Vacuum tubes (aka “valves” in the UK)

1920: Modulazione a Impulsi Codificati

Allo stesso tempo, gli ingegneri della Western Electric stavano cercando di aumentare anche la quantità di dati che potevano essere trasportati attraverso le linee telegrafiche. Nel 1921 Paul Rainey brevettò il concetto di “Modulazione a impulsi codificati” (PCM). 

Rainey usò fotocellule, galvanometri e relè per codificare le informazioni su un lato del circuito e decodificarle sull'altro. In questo modo, fu possibile trasmettere più informazioni attraverso le linee telegrafiche senza dover aumentare la larghezza di banda complessiva del sistema.

1920: Il teorema di Nyquist

Sempre negli anni '20, Harry Nyquist stava sviluppando il suo famoso teorema - Il Teorema di Nyquist, ed era anche a lavoro per aumentare la portata del sistema telegrafico nonostante la sua larghezza di banda fissa.

Nyquist stabilì che se un segnale è stato campionato a intervalli regolari con almeno il doppio della velocità di campionamento rispetto alla massima frequenza del segnale, il segnale potrebbe essere ricostruito dall'altra parte della trasmissione senza perdite.

A typical example of Nyquist frequency and rate. They are rarely equal because that would require over-sampling by a factor of 2 (i.e. 4 times the bandwidth).
Early telegraph machine

1930: Sviluppi del PCM

Nel 1937, Alec Harley Reeves, che lavorava nell'ufficio parigino dell'International Telephone and Telegraph (IT&T), aveva notevolmente migliorato i progetti PCM di Rainey del decennio precedente. Egli fu in grado di digitalizzare segnali analogici con una risoluzione di 5 bit, con una frequenza di campionamento di 6 kHz/secondo. Si basava sul confronto di una tensione di rampa generata con la tensione del segnale e sulla generazione di un impulso quando questi segnali erano uguali.

Questo impulso ha quindi ripristinato un circuito flip-flop di Set/Reset, che a sua volta ha generato un impulso la cui ampiezza era proporzionale al livello del segnale in quel momento. Utilizzando un contatore, questo flusso di uscite PCM viene "digitalizzato", ovvero convertito in una serie di numeri. Invertendo il processo e applicando un filtro alla fine, questi numeri possono essere nuovamente convertiti in analogico. Il lavoro di Reeves segnò un punto di enorme svolta nella conversione da analogico a digitale e da digitale in analogico.

1940: I primi ADC SAR

Grazie ad un accordo di cooperazione con la IT&T, Bell Labs ha continuato il lavoro di Reeve, inventando l'approssimazione successiva ADC - SAR ADC. Nonostante i grandi passi in avanti nella ricerca, quelli erano anche gli anni in cui imperversava la seconda guerra mondiale e per questo il loro lavoro ed i loro sforzi erano dedicati principalmente alla ricerca di modi per crittografare la comunicazione vocale per le applicazioni militari. Di conseguenza, la maggior parte di quelle invenzioni non vide la luce fino al dopoguerra.

Fino a quel momento, i tubi a vuoto erano gli unici amplificatori disponibili ma, essendo piuttosto fragili, dovevano essere sostituiti spesso poiché si bruciavano.

I tubi consumavano anche molta energia visto che si surriscaldavano esattamente come le lampadine ad incandescenza. Gli insetti a volte entravano negli armadietti degli strumenti e venivano bruciati dai tubi, causando spesso cortocircuiti. Una leggenda metropolitana narra che è proprio da qui che deriva il termine "bug" oggi usato in ambiente software.

1950: Amplificatori a Stato Solido e Circuito Integrato

Tutto cambiò nel 1954 quando l'ingegnere della Texas Instrument Gordon Teal inventò il primo transistor al silicio basato sul germanio.

Il team di Teal creò il primo transistor al silicio commerciale che venne testato il 14 aprile 1954. Il 10 maggio 1954 presso la National Conference on Airborne Electronics dell'Institute of Radio Engineers (IRE), a Dayton, Ohio, Teal rivelò questo risultato al mondo, affermando: "Contrariamente a quanto hanno detto i miei colleghi sulle prospettive desolanti per i transistor al silicio, mi capita di averne alcuni qui in tasca".

La tecnologia del silicio allo stato solido ha portato ad una rapida serie di invenzioni, tra cui:

  • 1956 - L'amplificatore a stato solido (LR Wrathall, Bell Telephone Laboratories)

  • 1958 - Il circuito integrato (The "IC") (Jack Kilby, Texas Instruments)

  • 1959 - Circuito integrato monolitico (Robert Noyce, Fairchild Semiconductor)

  • 1959 - Il processo planare per la produzione di circuiti integrati (Jean Hoerni, Fairchild Semiconductor)

Electronics Magazine, June 1954 - The Silicon Transistor

Nel 2000, Jack Kilby è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica per l'invenzione del circuito integrato (IC) a base di germanio. La versione monolitica, sviluppata in modo indipendente da Robert Noyce era basata sul silicio che alla fine si è rivelato più pratico. La versione monolitica era anche più facile da produrre in serie e non richiedeva cavi esterni. Noyce in seguito ha co-fondato Intel Corporation.

Robert Noyce

1950: L'Alba dell'Era dei Computer

Negli anni '50, le applicazioni militari e spaziali guidavano lo sviluppo delle tecnologie ADC e DAC. Oltre al codice e alle applicazioni di crittografia vocale, così importanti durante la seconda guerra mondiale, i primi computer venivano utilizzati per calcolare le traiettorie di lancio, i sistemi di puntamento delle armi, i sistemi RADAR e altro ancora. La loro capacità di "scomporre i numeri" più velocemente di qualsiasi matematico ha portato al loro crescente utilizzo nella ricerca e sviluppo. 

In quegli anni, quindi, gli sviluppi delle tecnologie ADC e DAC erano strettamente legati al mondo dei computer. I due mondi erano e sono ovviamente collegati: per essere elaborate da un computer, le informazioni devono essere convertite dal dominio analogico al dominio digitale e per ricevere i risultati da un computer, devono essere riconvertite.

1960: Gli ADC COTS Arrivano sul Mercato

Negli anni '60 gli ADC non furono più progettati e realizzati per un'applicazione specifica, ma furono offerti come prodotti commerciali, off-the-shelf (COTS) da aziende come Pastoriza Electronics, fondata dal laureato del MIT James Pastoriza. 

Pastoriza Electronics offriva un ADC a 12 bit e 100 kHz chiamato ADC-12U. Era basato su un chip SAR e veniva venduto al dettaglio per $ 800 USD (circa $ 6.000 USD / € 5.000 in denaro di oggi). La Analog Devices acquistò la Pastoriza Electronics nel 1969, utilizzando i suoi prodotti per entrare nel mondo dei convertitori analogico-digitale.

Anche altre aziende hanno immesso sul mercato prodotti ADC e DAC  cots, tra cui Advanced Micro Devices, Analogic, National Semiconductor, Burr Brown e Texas Instruments, solo per citarne alcuni.

1970: Interfaccia ADC con CPU

Negli anni '70, praticamente tutte le tecnologie ADC di base che utilizziamo oggi erano ormai note. Tuttavia, a causa di limitazioni tecnologiche e produttive, non erano tutte in produzione.

I chip a 8 bit degli anni '60 furono soppiantati dalle versioni a 10 e 12 bit. I produttori hanno aggiunto "latch" ai loro ADC e DAC, consentendo loro di interfacciarsi facilmente con i chip CPU (unità di elaborazione centrale). Usando un latch per comandare all'ADC di prelevare un campione e un altro latch per richiedere l'output del campione, l'ADC e la CPU hanno iniziato a lavorare insieme senza problemi.

Typical successive approximation register (SAR) ADC block diagram

I principali sviluppi dietro gli ADC erano legati alla creazione di modelli veramente monolitici, in cui tutti gli elementi essenziali, come comparatori, un clock e riferimenti di tensione, erano collocati su un singolo chip di silicio. Ma anche se la tecnologia di produzione si avvicinava a questo obiettivo, gli ADC ibridi e modulari dominavano il mercato.

1980: La Musica Diventa Digitale

Gli anni '80 videro l'arrivo dei primi ADC monolitici. Offrivano frequenze di campionamento più elevate e una risoluzione dell'asse verticale mai raggiunta prima. Le richieste dei mercati della strumentazione, l'invenzione del lettore CD per la musica e il sistema telefonico mondiale divenuto digitale, hanno spinto questa ulteriore evoluzione tecnologica. 

ADC a 16 bit e 18 bit furono sviluppati per i lettori musicali (lettore CD - compact disk). I pacchetti ADC multicanale iniziarono ad apparire in modo che più di un segnale potesse essere digitalizzato contemporaneamente all'interno di un singolo chip.

Questo è stato rapidamente seguito dall'idea di aggiungere un multiplexer sulla parte anteriore di un singolo ADC, in modo che molti segnali (tipicamente 8 o 16) potessero "condividere il tempo". Le uscite non erano perfettamente sincronizzate ma, se l'applicazione non lo richiedeva, ciò rappresentava un notevole risparmio sui costi.

Typical delta-sigma ADC block diagram

Fino a quel momento, la maggior parte degli ADC disponibili in commercio erano di tipo ad approssimazione successiva (SAR) e Flash. Erano veloci, ma limitati nella gamma dinamica a causa della loro risoluzione sull'asse verticale. Gli anni '90 hanno visto l'arrivo dei primi ADC di tipo delta-sigma disponibili in commercio, che fornivano l'elevata gamma dinamica richiesta per applicazioni di rumore e vibrazioni

Il mercato del dominio della frequenza (compresa la banda vocale, gli urti, il rumore e le vibrazioni) ha guidato il mondo della ricerca a sviluppare sistemi con una maggiore gamma dinamica, ad esempio a 20 bit. Oggi gli ADC delta-sigma a 24 bit sono comuni. Ma non erano solo adatti per la misura nel dominio della frequenza. Ad esempio l'uscita del segnale di una termocoppia di tipo K, sebbene in genere piuttosto lenta, richiede un'ampia gamma dinamica per essere completamente rappresentata. Gli ADC Delta-sigma sono perfetti per questa applicazione.

Dagli anni '90 ad oggi, gli ADC hanno continuato ad evolversi. Le frequenze di campionamento sono diventate sempre più elevate per supportare le applicazioni emergenti in più settori.

2010: Invenzione della Tecnologia DualCoreADC®

Le società impegnate nell’acquisizione dati, come la Dewesoft, hanno continuato a spingere la tecnologia dei convertitori analogico-digitale. Uno dei problemi più fastidiosi nelle applicazioni di test e measurements è la capacità di prevedere il guadagno richiesto per un particolare canale. La richiesta proveniente dagli ingegneri è di poter impostare il guadagno per ottenere la risoluzione dell'asse di ampiezza più alta possibile. Ma se il segnale va oltre le loro stime, il segnale viene tagliato e la misura viene rovinata. D'altra parte, se si imposta il guadagno ampio, la risoluzione, ovvero il rapporto segnale/rumore, viene degradata.

Nel 2010, Dewesoft ha introdotto la tecnologia DualCoreADC® all'interno della propria linea di sistemi DAQ SIRIUS. Questa svolta ha risolto il problema utilizzando due ADC separati a 24 bit per canale, passando automaticamente da uno all'altro in tempo reale e creando un unico canale continuo.

Questi due ADC misurano sempre sia il guadagno alto e che quello basso del segnale di ingresso. In questo modo si ottiene l'intero campo di misura possibile del sensore e si evita che il segnale venga tagliato. Il video qui sotto spiega il funzionamento.

SIRIUS DualCoreADC con 160 dB di range dinamico

Frequenze di campionamento più elevate
Solitamente limitato a una risoluzione di 16 bit
Gestire le onde quadre senza ringing/overshoot
Nessun Filtro Anti-alias integratoNon ad alta velocità come SAR
Risoluzione a 24 bit molto più alta
Ideale per forme d'onda sinusoidali/naturali
Le onde quadre causano ringing
Filtro Anti-alias integratoGrazie alla tecnologia DualCoreADC®, Dewesoft ha raggiunto un rapporto segnale-rumore superiore a 130 dB e oltre 160 dB in gamma dinamica. Performance queste che sono di 20 volte migliori di quelle che si hanno con sistemi a 24 bit e con il rumore ridotto di 20 volte.

2020: Tecnologia HybridADC

Per anni gli ingegneri hanno dovuto affrontare una scelta difficile tra ADC delta-sigma (convertitori da analogico a digitale) e ADC SAR (registro ad approssimazione successiva). Dieci anni dopo l'invenzione del DualCoreADC, Dewesoft ha risolto questo dilemma con l'invenzione della tecnologia HybridADC, che combina il meglio di entrambi i mondi.

Mentre gli ADC delta-sigma offrono una gamma dinamica sorprendente, una risoluzione a 24 bit e funzionalità anti-aliasing integrate, gli ADC SAR offrono una larghezza di banda maggiore e una perfetta riproduzione dei segnali impulsivi come le onde quadre.

ADC SAR ADC Delta-Sigma
Frequenze di campionamento più elevateSolitamente limitato a una risoluzione di 16 bitGestire le onde quadre senza ringing/overshootNessun Filtro Anti-alias integratoNon ad alta velocità come SARRisoluzione a 24 bit molto più altaIdeale per forme d'onda sinusoidali/naturaliLe onde quadre causano ringingFiltro Anti-alias integrato

Le applicazioni che richiedevano una combinazione di campionamento ad alta velocità e alta risoluzione con filtri anti-alias erano costrette a sacrificare una di queste capacità. Oppure l’alternativa era l'acquisto di due sistemi DAQ completamente separati per gestire separatamente tali requisiti: una soluzione non molto pratica ed efficiente

Dewesoft ha risolto questo problema una volta per tutte con la tecnologia HybridADC, sviluppata per la linea di prodotti SIRIUS XHS. Questa tecnologia consente all'utente di selezionare tre modalità di funzionamento:

  1. Modalità high bandwidth (senza filtraggio): larghezza di banda di 5 MHz e frequenza di campionamento di 15 Ms/s. Il SIRIUS XHS può acquisire perfettamente segnali impulsivi e onde quadre senza rumore o overshoot. Tale modalità è perfetta per la registrazione di transitori e l'analisi di potenza elettrica. Tale modalità di acquisizione si trova tipicamente negli ADC SAR.

  2. Modalità High dynamic alias-free: è possibile acquisire dati fino a 1 MS/s con una gamma dinamica di 150 dB. I dati sono completamente alias-free, quindi tutte le frequenze più alte vengono totalmente reiettate. Caratteristiche perfette per applicazioni di registrazione di suoni, vibrazioni e segnali generici. Questa modalità di acquisizione è tipica degli ADC Sigma-Delta.

  3. Filtraggio ring-free: inoltre, i convertitori HybridADC offrono filtri ring-free senza overshoot sui segnali impulsivi, pur mantenendo un'acquisizione priva di alias. La misura rimane priva di alias perché la frequenza di taglio viene impostata automaticamente al 20% della frequenza di campionamento.

HybridADC - video

Un'altra cosa molto importante da sapere è che ogni canale può essere impostato individualmente su una qualsiasi di queste modalità e su una frequenza di campionamento diversa. Pertanto, gli ingegneri non devono scegliere tra uno strumento o l'altro, ma possono utilizzare un unico strumento SIRIUS XHS per tutte le loro applicazioni più importanti.

Anche se ogni canale può essere settato individualmente, impostando alcuni canali in modo che abbiano una larghezza di banda elevata e altri che siano alias-free, e persino selezionare frequenze di campionamento diverse, il filtraggio è progettato in modo tale che tutti i segnali siano perfettamente allineati nel tempo con sfasamento zero.

La tecnologia Dewesoft HybridADC rappresenta un enorme passo avanti nel mondo dell'acquisizione dati. Combina il campionamento ad alta velocità ring-free con un'elevata gamma dinamica, prestazioni anti-alias, coprendo tutte le principali applicazioni DAQ con un unico strumento. La tecnologia HybridADC offusca il confine tra SAR ad alta velocità e tecnologie delta-sigma ad elevata larghezza di banda creando un ADC che fornisce il meglio di entrambi i mondi.

Non c'è dubbio che la tecnologia ADC continuerà a essere guidata dalle richieste del mercato. Il mondo si sta solo muovendo verso una sempre maggiore digitalizzazione e la necessità è sempre la madre delle invenzioni. 

Allora, dove siamo oggi? Quali tipi di ADC ci sono sul mercato e a cosa servono? Questa tabella fornisce una panoramica, con gli ADC trovati nelle applicazioni di acquisizione dati (DAQ) evidenziati in verde.

Ci auguriamo che questa brevissima storia sui convertitori analogico-digitale vi sia piaciuta. Una storia completa riempirebbe volumi interi ed inizierebbe fin dal 17° secolo quando la Turchia sviluppò un sistema di misura dell'acqua "digitale", ma questa è un'altra storia.

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