Tipos de conversores ADC [Atualizado em 2024]

Introdução

O conversor analógico para digital (ADC) é um dos blocos de construção fundamentais dos sistemas modernos de aquisição de dados (também conhecidos como sistemas DAQ ou DAS). O objetivo principal dos conversores A / D em um sistema de aquisição de dados é converter sinais analógicos condicionados em um fluxo de dados digitais para que o sistema de aquisição de dados possa processá-los para exibição, armazenamento e análise.

Principais tipos de conversores ADC

Na verdade, existem cinco tipos principais de ADCs em uso hoje:

• ADC de aproximação sucessiva (SAR)

• Delta-sigma (ΔΣ) ADC

• ADC de inclinação dupla

• ADC com pipeline

• Flash ADC

Vá para as principais tecnologias ADC para ver os detalhes sobre cada um dos tipos.

Principais recursos e capacidades do ADC

Cada tecnologia possui recursos e capacidades que orientam seu uso no mercado. Com ADCs, eles incluem:

• Taxa de amostragem - quão rápido um ADC pode converter analógico em digital?

• Resolução de bits - com quanta precisão um ADC pode converter analógico em digital?

Vejamos cada uma dessas especificações fundamentais com mais detalhes:

Qual é a taxa de amostragem?

A taxa na qual os sinais são convertidos do domínio analógico para um fluxo de dados digitais é chamada de taxa de amostragem ou frequência de amostragem. Não há certo ou errado aqui, simplesmente depende da aplicação.

Por exemplo, a pressão barométrica muda muito lentamente ao longo de um período de minutos ou horas, então você realmente não precisa fazer uma amostragem mais de uma vez por segundo. Por outro lado, se você está tentando medir uma assinatura RADAR, precisa amostrar centenas de milhões de vezes por segundo, ou talvez até bilhões de amostras por segundo.

No mundo da aquisição de dados, medimos tensões e correntes CA, choque e vibração, temperatura, deformação, pressão e assim por diante. Esses sinais e sensores requerem taxas de amostragem na faixa de DC a 200.000 amostras por segundo (200 kS / s) em média, enquanto algumas aplicações requerem amostragem de até 1.000.000 amostras por segundo (1 MS / s).
A taxa de amostragem é geralmente chamada de eixo T (tempo) ou eixo X de medição.

Por que a taxa de amostragem é importante?

Compreender seus sinais e suas freqüências mais altas possíveis é uma parte importante para obter medições precisas. Por exemplo, digamos que desejamos medir a saída de um acelerômetro. 

Se esperamos que ele teste vibrações com uma frequência máxima de 100 Hz, devemos definir a taxa de amostragem para pelo menos o dobro (a frequência de Nyquist), mas na prática dez vezes a sobreamostragem é melhor para obter uma representação de boa qualidade da forma do sinal. Portanto, neste exemplo, definimos a taxa de amostragem para 1000 Hz e fazemos a medição.

Teoricamente, tudo deveria estar bem, mas como sabemos que o sinal não foi realmente muito mais alto em frequência com uma amplitude considerável? Se sim, então nosso sistema não mede ou converte o sinal com precisão. E, de fato, se isso for levado ao extremo, os valores medidos podem até estar completamente errados.

Para entender o aliasing, assista a um filme antigo em que uma câmera estava filmando a 24 quadros por segundo enquanto um vagão passava - em várias velocidades, pode parecer que as rodas estão girando para trás, ou mesmo sem se mover.

Este é um tipo de efeito visual estroboscópico causado pela relação harmônica entre a frequência de rotação da roda e a taxa de captura de fotos da câmera. Talvez você tenha visto vídeos em que a velocidade do obturador de uma câmera foi sincronizada com as hélices de um helicóptero, onde parece que o helicóptero está suspenso no ar, as lâminas não se movem.

No caso de um filme ou vídeo de entretenimento não importa, mas ao fazer uma medição científica, se realmente acreditamos que as rodas de um carro estão girando para trás ou que as hélices de um helicóptero não estão se movendo, quando na verdade estão indo muito rápido, temos um problema de medição do mundo real.

Em termos de digitalização de sinais de tensão com nosso ADC, é importante que a taxa de amostragem seja definida de forma adequada. Se definirmos um valor muito alto, desperdiçamos poder de processamento e acabamos com arquivos de dados desnecessariamente grandes e difíceis de analisar. Mas se definirmos muito baixo, podemos ter dois problemas:

1. Componentes vitais de sinais dinâmicos ausentes

2. Terminando com sinais falsos ("alias") (se o sistema não tiver filtragem anti-aliasing)

Melhores práticas de taxa de amostragem

Neste ponto, você pode pensar em simplesmente amostrar muito mais rápido do que o sinal poderia atingir, até mesmo ordens de magnitude mais rápido. Isso não resolveria o problema de subamostragem? Sim, mas criaria um novo problema: aumentar drasticamente a quantidade de dados registrados cria um problema de manipulação, armazenamento e análise de dados. E pode nem mesmo ser possível fazer uma amostragem tão rápido com seu sistema.

Felizmente, há uma maneira melhor de evitar o aliasing sem nos sobrecarregar com grandes quantidades de dados, em sua maioria redundantes: filtragem anti-aliasing.

Filtragem Anti-Aliasing (AAF)

Se filtrarmos no domínio analógico antes do ADC, podemos evitar que o problema de aliasing ocorra. Observe que ainda é importante definir uma taxa de amostragem alta o suficiente para capturar a faixa de frequência de interesse, mas pelo menos com Filtros Anti-Aliasing (AAF), evitaremos que sinais falsos destruam a integridade de nossas medições.

O AAF ideal teria uma banda passante muito plana e um corte muito nítido na frequência de Nyquist (essencialmente metade da taxa de amostragem). 

Configuração típica de AAF: um filtro analógico de passagem baixa íngreme antes do ADC impede a passagem de sinais de mais da metade da largura de banda máxima do ADC. Isso é o que Dewesoft faz com seus ADCs SAR de 16 bits encontrados nos módulos SIRIUS-HS.

No entanto, com seus ADCs Delta-sigma de 24 bits, os sistemas Dewesoft têm um filtro DSP adicional no próprio ADC que se ajusta automaticamente com base na taxa de amostragem que o usuário selecionou. Essa abordagem de vários estágios fornece a filtragem anti-aliasing mais robusta disponível nos sistemas DAQ hoje. 

O que é resolução de bits e por que isso é importante?

Enquanto a taxa de amostragem, conforme discutido na seção anterior, envolve o eixo de tempo (T ou X) de nosso fluxo de dados digital, a resolução de bits ou um número de bits envolve o eixo de amplitude (Y).

Nos primeiros dias da aquisição de dados, ADCs de 8 bits eram comuns. No momento em que este livro foi escrito, no mundo dos sistemas DAQ, ADCs de 24 bits são padrão entre a maioria dos sistemas de aquisição de dados projetados para fazer medições dinâmicas, e ADCs de 16 bits são comumente considerados a resolução mínima para sinais em geral. Existem alguns sistemas simples que utilizam ADCs de 12 bits.

Como cada bit de resolução dobra efetivamente a resolução possível, os sistemas com ADCs de 24 bits fornecem 2 ^ 24 = 16.777.216. Assim, um sinal de entrada de um volt pode ser dividido em mais de 16 milhões de etapas no eixo Y. 

16.777.216 etapas para um ADC de 24 bits é dramaticamente melhor do que o máximo teórico de 65.656 etapas de um ADC de 16 bits. Assim, a aparência das formas de onda é, portanto, mais precisa e tem muito mais precisão, quanto mais resolução você tem. Isso também se aplica ao eixo do tempo.

Tecnologia DualCoreADC® e por que é importante

No eixo da amplitude, um desafio que os engenheiros enfrentam há anos é a faixa dinâmica . Por exemplo: e se tivermos um sinal que geralmente é inferior a 5 volts, mas às vezes pode aumentar dramaticamente? Se definirmos a resolução do ADC para acomodar os dados de 0-5 V, o sistema ficará totalmente sobrecarregado quando o sinal ultrapassar isso. 

Uma solução seria usar dois canais configurados para ganhos diferentes e referir-se a um deles para os dados de 0-5 V e ao outro para os dados de amplitude mais alta. Mas isso é muito ineficiente - não podemos usar dois canais para cada sinal de entrada - precisaríamos do dobro de sistemas DAQ para fazer o mesmo trabalho. Além disso, tornaria a análise de dados após cada teste muito mais complexa e demorada. 

A tecnologia DualCoreADC® da Dewesoft resolve esse problema usando dois ADCs de 24 bits separados por canal e alternando automaticamente entre eles em tempo real e criando um canal único e contínuo. Esses dois ADCs sempre medem o ganho alto e baixo do sinal de entrada. Isso resulta em toda a faixa de medição possível do sensor e evita que o sinal seja cortado.

Com a tecnologia DualCoreADC®, o SIRIUS atinge uma relação sinal-ruído de mais de 130 dB e mais de 160 dB na faixa dinâmica. Isso é 20 vezes melhor do que os sistemas típicos de 24 bits com 20 vezes menos ruído.

Multiplexado x ADC único por canal

Muito frequentemente, em sistemas DAQ de baixo custo, como registradores de dados ou sistemas de controle industrial, cartões A / D multiplexados são usados, porque são mais baratos do que os cartões A / D que têm um chip ADC separado por canal de entrada.

Em um sistema ADC multiplexado, um único conversor analógico-digital é usado para converter vários sinais do domínio analógico para o digital. Isso é feito pela multiplexação dos sinais analógicos um de cada vez no ADC.

Esta é uma abordagem de custo mais baixo, mas não é possível alinhar com precisão os sinais no eixo do tempo, porque apenas um sinal pode ser convertido por vez. Portanto, sempre há um desvio de tempo entre os canais. Se um pequeno erro de enviesamento for irrelevante em um determinado aplicativo, não é necessariamente uma coisa ruim. O mesmo vale para os dispositivos analógicos usados ​​no sistema - escolher o melhor ajuste para a aplicação em termos de forma, ajuste, função e evitar a obsolescência são fatores determinantes.

Além disso, uma vez que a taxa de amostragem máxima é sempre dividida pelo número de canais sendo amostrados, a taxa de amostragem superior por canal é geralmente menor em sistemas multiplexados, exceto nos casos em que apenas um ou alguns canais estão sendo amostrados.

Nos sistemas de aquisição de dados atuais, os sistemas ADC multiplexados são empregados principalmente por sistemas de baixo custo, onde o custo é mais importante do que a precisão ou velocidade.

Cinco tecnologias principais de ADC

Existem cinco tipos principais de ADCs em uso hoje. Cada um tem seu lugar, com base em seus caracteres essenciais de resolução de bits e taxa de amostragem. Vamos examinar cada um desses tipos, ver como funcionam e como são usados ​​no mundo hoje.

Comparação dos principais tipos de ADC

Cada um tem suas próprias vantagens e desvantagens e, portanto, adequação para determinadas aplicações. Vejamos cada um deles:

ADCs de aproximação sucessiva (SAR)

O ADC “pão com manteiga” do mundo DAQ é o conversor analógico-digital SAR (Successive Approximation Register). Ele oferece um excelente equilíbrio de velocidade e resolução e lida com uma ampla variedade de sinais com excelente fidelidade.

Já existe há muito tempo, portanto os designs SAR são estáveis ​​e confiáveis, e os chips são relativamente baratos. Eles podem ser configurados para placas A / D de baixo custo, onde um único chip ADC é "compartilhado" por vários canais de entrada (placas A / D multiplexadas) ou em configurações onde cada canal de entrada tem seu próprio ADC para verdadeira amostragem simultânea.

A entrada analógica da maioria dos ADCs é de 5 V, razão pela qual quase todos os front-ends de condicionamento de sinal fornecem uma saída condicionada que é a mesma. O ADC SAR típico usa um circuito de amostragem e retenção que recebe a tensão analógica condicionada do front-end de condicionamento de sinal.

Um DAC integrado cria uma tensão de referência analógica igual à saída do código digital da amostra e mantém um circuito. Ambos são alimentados em um comparador que envia o resultado da comparação para o SAR. Esse processo continua por “n” vezes sucessivas, com “n” sendo a resolução de bits do próprio ADC, até que o valor mais próximo do sinal real seja encontrado.

Os ADCs SAR não têm nenhum filtro anti-aliasing inerente (AAF) , então, a menos que seja adicionado antes do ADC pelo sistema DAQ, se o engenheiro selecionar uma taxa de amostragem muito baixa, sinais falsos (também conhecidos como "aliases") serão digitalizados pelo ADC SAR. O aliasing é particularmente problemático porque é impossível corrigi-lo após a digitalização. 

Não há como consertar com software. Deve ser evitado sempre amostrando mais rápido do que a frequência de Nyquist de todos os sinais de entrada ou filtrando os sinais antes e dentro do ADC. 

Prós

• Circuito simples com apenas um comparador necessário

• Taxas de amostragem mais altas possíveis em comparação com ADCs delta-sigma

• Lida bem com formas de onda naturais e não naturais

Contras

• A filtragem anti-aliasing deve ser adicionada externamente

• Resolução de bits e faixa dinâmica limitada em comparação com ADCs delta-sigma 

Formulários

As aplicações para ADCs SAR incluem sistemas DAQ, desde sistemas ADC multiplexados de baixo custo até sistemas ADC únicos por canal de alta velocidade, controle industrial e medição, imagens CMOS.

ADCs Delta-sigma (ΔΣ)

Um projeto ADC mais recente é o ADC delta-sigma (ou conversor delta), que aproveita a tecnologia DSP para melhorar a resolução do eixo de amplitude e reduzir o ruído de quantização de alta frequência inerente aos projetos SAR.

O design complexo e poderoso dos ADCs delta-sigma os torna ideais para aplicações dinâmicas que requerem a maior resolução possível do eixo de amplitude. É por isso que eles são comumente encontrados em áudio, som e vibração, e em uma ampla variedade de aplicações de aquisição de dados de alta tecnologia. Eles também são amplamente usados ​​em aplicações de medição industrial de precisão.

Um filtro passa-baixo implementado em um DSP elimina virtualmente o ruído de quantização, resultando em excelente desempenho sinal-ruído. 

Os ADCs Delta-sigma funcionam sobreamostrando os sinais muito mais altos do que a taxa de amostragem selecionada. O DSP, então, cria um fluxo de dados de alta resolução a partir desses dados sobre amostrados na taxa que o usuário selecionou. Essa sobreamostragem pode ser centenas de vezes maior do que a taxa de amostragem selecionada. Essa abordagem cria um fluxo de dados de resolução muito alta (24 bits é comum) e tem a vantagem de permitir a filtragem anti-aliasing (AAF) em vários estágios, tornando virtualmente impossível digitalizar sinais falsos. No entanto, ele impõe uma espécie de limite de velocidade, portanto, os ADCs delta-sigma não são tão rápidos quanto os ADCs SAR, por exemplo.

Prós

• Saída de alta resolução (24 bits)

• A sobre-amostragem reduz o ruído de quantização

• Filtragem anti-aliasing inerente

Contras

• Limitada a cerca de 200 kS / s de taxa de amostragem
  Não manuseie formas de onda não naturais, bem como SAR

Formulários

As aplicações para ADCs Delta-sigma incluem aquisição de dados, especialmente ruído e vibração, balanceamento industrial, vibração torcional e rotacional, monitoramento de qualidade de energia, medições industriais de precisão, áudio e banda de voz, comunicações.

Conversores A / D de inclinação dupla

Os ADCs de inclinação dupla são precisos, mas não muito rápidos. A principal maneira pela qual eles convertem valores analógicos em digitais é usando um integrador. A tensão é inserida e pode “aumentar” por um período de tempo. Em seguida, uma tensão conhecida de polaridade oposta é aplicada e pode voltar a zero. Quando chega a zero, o sistema calcula qual foi a tensão de entrada, comparando o tempo de aceleração com o tempo de desaceleração e sabendo qual foi a referência. Os tempos de aceleração e desaceleração são as duas pistas para as quais essa técnica foi nomeada.

Esse processo iterativo é confiável, mas leva tempo e sempre há uma compensação entre resolução e velocidade porque, ao contrário dos ADCs SAR ou delta-sigma, eles não podem atingir os dois. Como resultado, Dual Slope também conhecido como “integrando ADCs” são usados ​​em aplicativos como multímetros portáteis e não são encontrados em aplicativos DAQ.

Prós

• VMedições muito precisas e precisas

Contras

• Tempo de conversão lento devido à iteração de aceleração e desaceleração

Formulários

As aplicações para ADCs de inclinação dupla incluem multímetros de mão e de bancada.

Conversores Flash A / D

Os ADCs Flash são rápidos e operam virtualmente sem latência, por isso são a arquitetura escolhida quando as taxas de amostragem mais altas possíveis são necessárias. Eles convertem sinal analógico em digital comparando-o com valores de referência conhecidos. Quanto mais referências conhecidas forem usadas no processo de conversão, maior será a precisão. Por exemplo, se quisermos um Flash ADC com uma resolução de 10 bits, precisaremos comparar o sinal analógico de entrada com 1024 valores conhecidos. A resolução de 8 bits exigiria 256 valores conhecidos e assim por diante. 

Quanto mais resolução queremos, maior e mais consumidor de energia o Flash ADC se torna - e a taxa de amostragem deve ser reduzida.

Por esse motivo, a resolução de 8 bits é geralmente o “ponto ideal” para esses ADCs. Os ADCs Flash podem operar em GS / s baixos e ainda fornecer uma resolução de 8 bits.

Prós

• Tipo de ADC mais rápido

• Conversão instantânea sem latência

Contras

• O circuito fica maior e consome mais energia a cada bit

• A resolução efetivamente limitada a 8 bits 

Formulários

Os aplicativos para ADCs Flash incluem os osciloscópios digitais mais rápidos, medições de microondas, fibra óptica, detecção de RADAR e rádio de banda larga.

Conversores A / D Pipelined

Para aplicativos que exigem taxas de amostragem mais altas do que os ADCs SAR e delta-sigma podem fornecer, mas que não exigem a velocidade ultra-alta dos ADCs Flash, temos ADCs Pipelined.

Conforme discutido na seção anterior, em um Flash ADC, os comparadores são todos travados simultaneamente, daí a falta de latência. Mas isso requer muita energia - especialmente quando mais e mais comparadores são usados ​​para obter uma resolução de bits mais alta. No entanto, em um ADC Pipelined, o sinal analógico não é travado por todos os comparadores ao mesmo tempo, distribuindo a energia necessária para converter o analógico em um valor digital.

Conseqüentemente, os comparadores de flash são “canalizados” em um processo quase serial de 2-3 ciclos. Isso tem a vantagem de permitir que resoluções mais altas sejam alcançadas sem muita energia, mas impõe duas penalidades: as taxas de amostragem não podem ser tão altas quanto uma abordagem de Flash puro e há uma latência de tipicamente 3 ciclos. Isso pode ser atenuado um pouco, mas nunca pode ser completamente eliminado.

Esses ADCs são uma arquitetura popular para aplicações de 2-3 MS / sa 100 MS / s (1 GS / s é possível). Para taxas de amostragem além disso, a tecnologia Flash ADC é normalmente empregada. A resolução de ADCs Pipelined pode ser tão alta quanto 16 bits nas taxas de amostragem mais baixas, mas normalmente são 8 bits nas taxas de amostragem mais altas. Novamente, sempre há uma compensação entre velocidade e resolução.

Prós

• Quase tão rápido quanto um tipo ADC Flash puro (mais rápido do que SAR e Delta-sigma)

Contras

• Latência devido ao processo de conversão “pipeline” em série

• Taxa de amostragem máxima limitada pela resolução de bits 

Formulários

As aplicações para ADCs Pipelined incluem osciloscópios digitais, RADAR, rádios de software, analisadores de espectro, vídeo HD, imagem ultrassônica, receptores digitais, modems a cabo e Ethernet.

Resumo

Cada tecnologia ADC tem seu lugar. E como os aplicativos são tão diferentes, é impossível dizer que um é melhor do que o outro no geral. No entanto, é absolutamente possível dizer que um deles é melhor do que outro no que diz respeito a um ou mais dos requisitos de aplicativos DAQ atuais:

Embora a Dewesoft seja famosa por usar ADCs sigma-delta de 24 bits com filtros anti-aliasing integrados, eles também usam ADCs SAR de 16 bits para atingir taxa de amostragem máxima de 1 MS / s na linha de produtos de sistemas SIRIUS DAQ. Esses sistemas Dewesoft baseados em SAR implementam uma filtragem AAF poderosa na forma de filtros de 100 kHz de 5ª ordem. Existe um filtro adicional no domínio digital selecionável entre Bessel, Butterworth (ou bypass), até a 8ª ordem.

A escolha de qual tecnologia ADC empregar deve sempre ser baseada nos requisitos da aplicação. Se você está medindo principalmente sinais estáticos e quase estáticos (lentos), obviamente não precisa de um sistema de velocidade super alta, mas provavelmente quer um com o máximo de resolução de eixo de amplitude possível. 

Os sistemas fixos usados ​​na indústria geralmente têm requisitos que não mudam muito e geralmente é mais fácil escolher um sistema.

Para os sistemas DAQ do dia a dia, no entanto, é um pouco mais desafiador, pois esses sistemas são usados ​​em uma variedade de aplicativos ao longo do tempo. A chave é selecionar aquele que tem o melhor desempenho geral e proteção contra ruído, aliasing e obsolescência.

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