В этой статье мы рассмотрим основные типы современных АЦП. Прочитав эту статью, вы сможете:

  • ознакомиться с технологиями, лежащими в основе каждого типа АЦП;
  • узнать об основных функциях и возможностях АЦП;
  • понять, какие типы АЦП лучше всего подходят для современных систем;
  • выяснить, какие два основных типа АЦП выбрала компания Dewesoft и почему.

Готовы? Начинаем!

Перейти к разделу

Основные функции и возможности АЦП

Что такое частота выборки

Чем важна частота выборки

Рекомендации по настройке частоты выборки

Фильтрация-сглаживание

Что такое битовое разрешение и почему оно важно?

Технология DualCoreADC® и почему она важна

Мультиплексирование или один АЦП на канал

Пять основных технологий АЦП

АЦП последовательного приближения (РПП)

Дельта-сигма АЦП (ΔΣ)

Сдвоенные АЦП

Параллельные АЦП 

Конвейерные АЦП

Выводы

 

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются одним из основных элементов современных систем сбора данных. Основное назначение АЦП в системе сбора данных заключается в преобразовании подготовленных аналоговых сигналов в поток цифровых данных, обрабатываемых системой сбора данных для отображения, хранения и анализа.

Основные функции и возможности АЦП

Разные технологии имеют свои особенности, которыми определяется их сфера применения. В случае АЦП это:

  • Частота выборки— как быстро АЦП может преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой?
  • Битовое разрешение— с какой точностью АЦП может преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой?

Рассмотрим каждую из этих базовых характеристик подробнее.

Что такое частота выборки?

Скорость, с которой сигналы преобразуются из аналоговых в цифровые, называется частотой выборки или частотой дискретизации. Оне не бывает плохой или хорошей — все зависит от сферы применения. Например, атмосферное давление за несколько минут или часов почти не меняется, а значит нет и необходимости измерять его более одного раза в секунду. С другой стороны, если вы пытаетесь измерить радиолокационную заметность, ваша частота выборки — сотни миллионов или даже миллиардов выборок в секунду.

Sampling rate of analog signal

Системы сбора данных служат для измерения напряжения и силы переменного тока, ударов и вибрации, температуры, деформации, давления и тому подобного. Сигналам и датчикам в диапазоне постоянного тока требуется частота выборки в среднем до 200 тысяч в секунду (200 квыб./с) а иногда и до миллиона (1 Мвыб./с).

Частота выборки обычно называется осью измерения T (время) или X.

Почему важна частота выборки?

Понимание характера сигналов и их максимально возможных частот является важной частью точных измерений. Предположим, мы хотим измерить выходной сигнал акселерометра. 

Если мы ожидаем, что он будет испытывать колебания с максимальной частотой 100 Гц, мы должны установить частоту выборки по крайней мере в два раза больше (принцип Найквиста). На практике же для получения качественного сигнала лучше устанавливать частоту выборки в 10 раз больше. Поэтому в этом случае мы устанавливаем частоту выборки 1000 Гц и выполняем измерение.

Теоретически все как надо, но что, если частота сигнала при высокой амплитуде не увеличилась? Если это так, то наша система не сможет точно измерить или преобразовать сигнал. Кроме того, измеренные значения могут оказаться вовсе неверными.

Чтобы представить себе искажения из-за недостаточной частоты выборки, посмотрите старый фильм про проезжающий вагон, когда камеры еще снимали со скоростью 24 кадра в секунду: при разных скоростях это может выглядеть так, как будто колеса вращаются назад или же вообще не двигаются.

Это своего рода стробоскопический визуальный эффект, вызванный гармонической зависимостью между частотой вращения колеса и скоростью съемки камеры. Возможно, вам попадались видео, где кажется, что вертолет висит в воздухе, а его лопасти вообще не двигаются. Это происходит, если выдержка камеры была синхронизирована со скоростью вращения лопастей вертолета.

Это несущественно для кинематографии, но если мы занимаемся наукой, для нас невозможно серьезно полагать, что колеса автомобиля вращаются назад, а быстро вращающиеся лопасти вертолета не двигаются.

При оцифровке АЦП сигналов напряжения важна точная установка частоты выборки. Если задать слишком высокое значение, мы потратим впустую вычислительную мощность и в конечном итоге получим файлы данных, которые слишком велики и неудобны для анализа. Слишком низкая частота выборки, в свою очередь, порождает две проблемы:

  1. утрата важных компонентов динамического сигнала;
  2. получение ложных («паразитных») сигналов (если в системе не применяется фильтрация-сглаживание).

Demonstration of a false signal (alias) in black, caused by sampling too infrequently compared to the original signalНаглядный пример слишком низкой частоты выборки: исходный сигнал и результат (в черном цвете) — ложный сигнал (шум).
[Изображение из открытого источника]

Рекомендации по настройке частоты выборки

Может показаться, что оптимальным решением будет увеличение частоты выборки относительно сигнала, пусть даже в десятки раз. Решит ли это проблему недостаточной выборки? Решит, но создаст другую проблему — трудности обработки, хранения и анализа резко возросших объемов данных. Возможно, ваши системы даже не смогут обрабатывать такие высокие частоты.

Благодаря фильтрации-сглаживанию отпадает необходимость регистрации огромного количества ненужных данных.

Фильтрация-сглаживание

Можно в принципе избежать искажений из-за недостаточной частоты выборки путем фильтрации аналоговых сигналов до передачи их в АЦП. Обратите внимание, что для захвата интересующего частотного диапазона по-прежнему важно установить достаточно высокую частоту выборки, однако фильтрация-сглаживание позволяет исключить ложные сигналы, не нарушая целостности измерений.

В идеале фильтрация-сглаживание даст очень плоскую полосу пропускания и очень резкое снижение частоты Найквиста (около половины частоты выборки).

Диаграмма частотных границ сглаживающего фильтра

В сглаживающем фильтре аналоговый фильтр нижних частот обычно устанавливается перед АЦП. Это отсекает прохождение сигналов, превышающих половину максимальной полосы пропускания АЦП. 16-битные АЦП последовательного приближения в модулях Dewesoft SIRIUS-HS основаны на этом принципе.

В 24-битных дельта-сигма АЦП систем Dewesoft имеется дополнительный фильтр ЦОС-процессора, который автоматически перенастраивается в зависимости от частоты выборки, заданной пользователем. Такой всесторонний подход обеспечивает самую надежную на данный момент фильтрацию-сглаживание в системах сбора данных.

Что такое битовое разрешение и почему оно важно?

Частота выборки, рассмотренная в предыдущем разделе, отображается осью времени (T или X) цифрового потока данных, а битовое разрешение — осью амплитуды (Y).

В эпоху зарождения сбора данных 8-битные АЦП были обычным явлением. На момент написания этой статьи 24-битные АЦП являются стандартом для большинства систем сбора данных, предназначенных для проведения динамических измерений, а 16 бит считаются минимальным разрешением для сигналов в целом. Существует ряд бюджетных систем, использующих 12-битные АЦП.

Поскольку каждый бит разрешения эффективно удваивает разрешение преобразования, системы с 24-битными АЦП обеспечивают 2^24 = 16 777 216. Таким образом входной одновольтный сигнал можно разделить на более чем 16 миллионов шагов по оси Y.

16 777 216 шагов для 24-битного АЦП значительно лучше, чем максимальные теоретические 65 656 шагов для 16-битного АЦП. Таким образом, чем выше разрешение, тем лучше форма и точность волновых функций. То же самое применимо и к оси времени.

24-bit resolution (blue) vs. 16-bit resolution (red)Сравните 24-битное разрешение (оранжевый) и 16-битное (серый)

Технология DualCoreADC® и почему она важна

Одной из давних инженерных проблем с амплитудной осью является динамический диапазон. Например: что делать, если у нас есть сигнал, который обычно составляет менее 5 вольт, но иногда может резко колебаться вверх? Если мы установим разрешение АЦП в расчете на 0–5 В, то система будет полностью перегружена, если сигнал превысит этот уровень. 

Одним из решений было бы задействовать два канала, настроенных на разные коэффициенты усиления; и на один из них направлять данные 0–5 В, а на другой — с более высокой амплитудой. Но это очень неэффективно: мы не можем использовать два канала для каждого входного сигнала — это вдвое снизит производительность системы сбора данных. Также усложнится и затянется анализ данных после каждого измерения. 

Технология DualCoreADC® от компании Dewesoft решает эту проблему путем использования двух отдельных 24-битных АЦП на канал, а также автоматического переключения между ними в режиме реального времени и создания единого непрерывного канала. Эти два АЦП всегда измеряют высокий и низкий коэффициент усиления входного сигнала. Благодаря этому достигается полное измерение диапазона датчика и предотвращается отсечение сигнала.

Благодаря технологии DualCoreADC® системам сбора данных SIRIUS удается достичь соотношения «сигнал-шум» 130 дБ и более 160 дБ в динамическом диапазоне. Это в 20 раз лучше, чем могут обеспечить типичные 24-битные системы.

Мультиплексирование или один АЦП на канал

Очень часто в недорогих системах сбора данных, таких как регистраторы данных или промышленные системы управления, используются мультиплексные АЦ-платы, поскольку они дешевле, чем реализация отдельных чипов АЦП на каждый входной канал.

В мультиплексной системе АЦП один аналого-цифровой преобразователь оцифровывает сразу несколько аналоговых сигналов. Это достигается путем мультиплексирования аналоговых сигналов по одному в АЦП.

Это более экономичный подход, однако невозможно точно выровнять сигналы по оси времени, поскольку только один сигнал может быть преобразован за один раз. Поэтому между каналами всегда существует временной перекос. Если небольшие искажения некритичны в данной сфере применения, то это необязательно плохо. То же самое относится и к аналоговым устройствам, используемым в системе: важен выбор оптимального решения с учетом функциональности и срока службы.

Кроме того, поскольку максимальная частота выборки всегда делится на количество считываемых каналов, максимальная частота выборки на канал в мультиплексных системах обычно ниже, за исключением случаев, когда регистрируется только один или небольшое число каналов.

Что касается современных систем сбора данных, мультиплексные АЦП используются в основном в бюджетных решениях, где стоимость важнее точности или скорости.

Пять основных технологий АЦП

В настоящее время используются пять основных типов АЦП. Каждый занимает свою нишу соответственно битовому разрешению и частоте выборки. Рассмотрим каждый тип подробнее, включая принципы работы и применение.

Сравнение основных типов АЦП

Тип АЦП Преимущества Недостатки Макс. разрешение Макс. частота выборки Сферы применения
Последовательного приближения (РПП) Хорошее соотношение скорости и разрешения Отсутствие внутренней защиты от искажения 18 бит 10 МГц Сбор данных
Дельта-сигма (ΔΣ) Высокая динамическая производительность, встроенная защита от искажения Отставание на искусственных сигналах 32 бита 1 МГц Сбор данных, шум и вибрация, аудио
Сдвоенный Точный, недорогой Низкая скорость 20 бит 100 Гц Вольтметры
Конвейерный Очень быстрый Ограниченное разрешение 16 бит 1 ГГц Осциллоскопы
Параллельный Самый быстрый Низкое битовое разрешение 12 бит 10 ГГц Осциллоскопы

Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и, следовательно, пригоден для решения определенных задач. Рассмотрим каждый:

АЦП последовательного приближения (РПП)

«Рабочая лошадка» сферы обработки данных  — это аналогово-цифровой преобразователь последовательного приближения (РПП). Он обеспечивает превосходный баланс скорости и разрешения и обрабатывает широкий спектр сигналов с отменной точностью.

Этот преобразователь существует уже давно, поэтому модели РПП стабильны и надежны, а чипы относительно недороги. Они могут быть настроены как для простых АЦП-карт, где один АЦП-чип «совместно используется» несколькими входными каналами (мультиплексные АЦП-платы), так и для моделей, где каждый входной канал имеет свой собственный АЦП для одновременной выборки.

SAR ADC converter block diagramБлок-схема типичного РПП

Аналоговый вход большинства АЦП составляет 5 В, поэтому почти все интерфейсы формирования сигнала преобразовывают его одинаково. Типичный АЦП последовательного приближения использует схему выборки и хранения, которая принимает преобразованное аналоговое напряжение от интерфейса преобразования сигнала.

Встроенная система обработки данных создает аналоговое опорное напряжение, равное выходному сигналу цифрового кода устройства выборки-хранения. Оба сигнала передаются в компаратор, который отправляет результат сравнения в РПП. Этот процесс продолжается в течение n последовательных раз, причем n является битовым разрешением самого АЦП, пока не будет найдено значение, ближайшее к фактическому сигналу.

АЦП последовательного приближения не имеют внутреннего механизма фильтрации-сглаживания, поэтому, если в системе сбора данных такой компонент не предусмотрен перед АЦП, при выборе слишком низкой частоты выборки ложные сигналы (они же «помехи») будут оцифрованы АЦП РПП. Искажение особенно проблематично, поскольку его невозможно исправить после оцифровки. 

Нет способа исправить его с помощью программного обеспечения. Оно должно быть предотвращено путем постоянной выборки на частоте, превышающей частоту Найквиста всех входных сигналов, либо путем фильтрации сигналов перед и внутри АЦП.

Преимущества:

  • простая схема с одним компаратором;
  • возможна более высокая частота выборки по сравнению с дельта-сигма АЦП;
  • хорошо справляется с естественными и искусственными формами сигнала.

Недостатки:

  • необходимость внешней фильтрации-сглаживания;
  • битовое разрешение и динамический диапазон ограничены по сравнению с дельта-сигма АЦП. 

Применение

Сферы применения АЦП последовательного приближения, включают системы сбора данных от недорогих мультиплексных до высокоскоростных систем с одним АЦП на канал, промышленные системы контроля и измерения, визуализацию КМОП-структур.

Дельта-сигма АЦП (ΔΣ)

Более новая технология — это дельта-сигма АЦП, использующие преимущества технологии ЦОС для повышения разрешения амплитудной оси и уменьшения высокочастотного шума квантования, присущего РПП.

Сложные и мощные дельта-сигма АЦП идеальны для динамических измерений, требующих как можно большего разрешения амплитудной оси. Именно их применяют при работе со звуком и вибрациями, а также во многих передовых системах сбора данных. Также они широко используются для высокоточных промышленных измерений. 

Delta-Sigma ADC converter block diagramБлок-схема типичного дельта-сигма АЦП

Фильтр нижних частот, реализованный в процессоре ЦОС, практически исключает шумы квантования, что обеспечивает отношение «сигнал-шум», близкое к идеальному. 

Дельта-сигма АЦП работают с многократным превышением частоты выборки. Затем ЦОС-процессор на основе выбранной пользователем скорости создает из этой огромной выборки поток данных высокого разрешения. Превышение частоты выборки может быть в сотни раз больше заданной. Так получается поток данных очень высокого разрешения (обычно 24 бита), что позволяет использовать многоступенчатую фильтрацию-сглаживание, практически исключающую оцифровку ложных сигналов. Однако по той же причине дельта-сигма АЦП обычно медленнее АЦП РПП.

Преимущества:

  • высокое разрешение выходных данных (24 бита);
  • превышение частоты выборки уменьшает шум квантования;
  • встроенная фильтрация-сглаживание.

Недостатки:

  • ограничение до 200 тысяч выборок/с;
  • эффективность обработки искусственных сигналов ниже, чем в РПП.

Применение

Дельта-сигма АЦП применяются в системах сбора данных, особенно шума и вибрации; промышленной балансировке, анализа вибрации кручения и вращения, контроле качества электроэнергии, точных промышленных измерениях, аудио- и голосовой связи и различных коммуникациях.

Сдвоенные АЦП

 

Сдвоенные АЦП точны, но медленны. Они преобразуют аналоговые данные в цифровые с помощью интегратора. Подается напряжение и в течение какого-то времени оно растет. Затем подается напряжение противоположной полярности и падает до нуля. После этого система вычисляет, каким было входное напряжение, сравнивая время его повышения и понижения с эталонным. Время роста и спада напряжения — две половины целого, что и дало название этой технологии.

Процесс последовательных приближений надежный, но медленный, так что приходится искать компромисс между разрешением и скоростью, в отличие от РПП или дельта-сигма АЦП. В итоге сдвоенные (или «интеграторные») АЦП применяются в ручных многоцелевых электроизмерительных приборах, но не в системах сбора данных.

Typical Integrating Amplifier, showing the comparator, timer, and controllerТипичный интегрирующий усилитель с компаратором, таймером и контроллером

Преимущества:

  • очень точное измерение.

Недостатки:

  • долгое время преобразования из-за итераций повышения и понижения.

Применение

Сдвоенные АЦП применяются в ручных и настольных многоцелевых электроизмерительных приборах.

Параллельные АЦП

Параллельные АЦП очень быстрые, поэтому их обычно используют, если требуются максимально высокие частоты выборки. Они преобразуют аналоговые сигналы в цифровые, сравнивая их с эталонными значениями. Больше эталонных значений — выше точность. Например, если используется параллельный АЦП с 10-битным разрешением, придется сравнивать входной аналоговый сигнал с 1024 эталонными значениями. В случае 8-битного разрешения — с 256 и так далее. 

Для более высокого разрешения потребуются более энергоемкие параллельные АЦП при одновременном снижении частоты выборки.

«Золотой серединой» в этом случае является 8-битное разрешение. Параллельные АЦП могут оперировать Гвыб./с с сохранением 8-битного разрешения.

Flash ADC diagramСхема параллельного АЦП

Преимущества:

  • самые быстрые из АЦП;
  • быстрое преобразование без задержек.

Недостатки:

  • энергоемкость схемы возрастает с каждым битом;
  • разрешение фактически ограничено 8-битным. 

Применение

Параллельные АЦП применяются в самых быстрых цифровых осциллографах, сверхвысокочастотных измерениях, оптоволоконных технологиях, радиолокационном обнаружении цели и в широкополосном радио.

Конвейерные АЦП

Если по условиями применения нужны частоты выборки больше, чем способны обеспечить РПП и дельта-сигма АЦП, но меньше, чем сверхбыстрые параллельные, выходом будут конвейерные АЦП.

В предыдущем разделе о параллельных АЦП пояснялась причина работы без задержек: компараторы фиксируются одновременно. Но для этого требуется много энергии, особенно когда для достижения высокого разрешения используются все больше и больше компараторов. В конвейерном АЦП аналоговый сигнал не фиксируется всеми компараторами одновременно, что распределяет энергию, затрачиваемую на преобразование аналогового значения в цифровое. Таким образом, флэш-компараторы «конвейеризуются» в квазипоследовательный процесс из 2–3 циклов. Преимущество в том, что при низкой энергоемкости достигаются высокие разрешения, но есть два нюанса: а) частота выборки не может быть такой же высокой, как у параллельных АЦП; б) появляется задержка около 3 циклов. Эти нюансы можно смягчить, но невозможно исключить.

Pipelined ADC wiring diagramПример конвейерного АЦП

Этот вид АЦП часто используется для испытаний с частотой выборки в пределах от 2–3 до 100 Мвыб./с (до 1 Гвыб./с). Если требуются более высокие частоты выборки, обращаются к параллельным АЦП. Разрешение конвейерных АЦП может достигать 16 бит при низких частотах выборки; при максимальных частотах выборки — 8 бит. Всегда присутствует компромисс между скоростью и разрешением.

Преимущества:

  • скорость сопоставима с параллельным АЦП (и быстрее РПП и дельта-сигма).

Недостатки:

  • задержка из-за последовательного «конвейерного» преобразования;
  • максимальная частота выборки ограничена битовым разрешением. 

Применение

Конвейерные АЦП используются в цифровых осциллографах, радиолокации, программных радиостанциях, анализаторах спектра, для HD-видео, ультразвуковой визуализации, в цифровых приемниках, кабельных модемах и локальных сетях.

Выводы

Каждая технология АЦП имеет свои преимущества. И поскольку сферы применения слишком различны, нельзя сказать, что одна из них лучше другой в целом. Тем не менее, можно утверждать, что одна из них лучше другой по ряду критериев современных систем:

Критерий АЦП последовательного приближения Дельта-сигма (ΔΣ) АЦП
Требуется максимальное разрешение амплитудной оси (даже для медленных сигналов, таких как термопары) Обычно максимум 16 или 18 бит Предпочтительнее. Разрешение 24 бита фактически является современным стандартом среди дельта-сигма плат.
Необходимо использовать недорогую мультиплексную АЦ-плату Единственный вариант. Можно мультиплексировать один АЦП РПП на нескольких каналах для создания недорогих систем сбора данных, если небольшие искажения не критичны. Н/Д
Требуется максимально возможная частота выборки Предпочтительнее. Существуют АЦП последовательного приближения для сбора данных с частотой выборки до 10 Мвыб./с. Встроенный ЦОС-процессор ограничивает макс. частоту выборки дельта-сигма АЦП по сравнению с АЦП РПП.
Желательна фильтрация-сглаживание Дорого и сложно добавить в АЦП последовательного приближения. Предпочтительнее, поскольку фильтрация сглаживания встроена в дельта-сигма АЦП.
Требуется максимальное соотношение «сигнал-шум»   Единственный вариант. Возможно достижение 160 дБ с помощью запатентованной технологии DualCoreADC® компании Dewesoft.
В основном будут регистрироваться искусственные сигналы (например, прямоугольные) Лучше воспроизводит прямоугольные волны.  

Хотя знаковыми решениями Dewesoft являются 24-битные дельта-сигма АЦП и технология DualCoreADC, компания также использует 16-битные АЦП последовательного приближения для достижения максимальной частоты выборки 1 Мвыб./с в линейке систем сбора данных SIRIUS. Мощная фильтрация-сглаживание в форме фильтров 100 кГц 5-го порядка реализована в системах Dewesoft на базе последовательного приближения. В цифровой области предусмотрен дополнительный фильтр (Бесселя, Баттерворта (или обходной) на выбор) вплоть до 8-го порядка.

Выбор технологии АЦП должен основываться на условиях применения. Если вы в основном имеете дело со статическими и квазистатическими (медленными) сигналами, вам нужна не сверхскоростная система, а как можно большее разрешение амплитудной оси. 

Фиксированные системы, используемые в промышленности, как правило, имеют стандартные требования, что упрощает задачу выбора.

Выбор в случае систем сбора данных сложнее: одна и та же система должна удовлетворять разным сферам применения. Прежде всего необходимо учитывать оптимальную производительность и защиту от шума, искажения и износа.

 

Другие статьи по теме датчиков:

Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)?

Что такое преобразование сигнала или преобразователь сигналов?

Что такое системы сбора данных?

Что такое датчики и для чего они нужны?