Mikä on ADC? Analogiset-digitaaliset muunnokset ja miten se toimii

Analoginen-digitaalinen muunnin (ADC) muuntaa analogisia signaaleja, kuten anturijännitteitä, ääni-aaltomuotoja ja mittaussignaaleja, digitaaliseksi dataksi, jota mikrokontrolleri, prosessori, FPGA tai tietokone voi käsitellä. Tämä artikkeli selittää, miten ADC:t toimivat, päätyypit, resoluution, näytteenottotaajuuden, keskeiset tekniset tiedot, sovellukset, valintatekijät ja yleiset vianetsintäongelmat.

Luettelo

Kuvio 1: ADC-signaaliketju analogisesta tulosta digitaaliseen ulostuloon

Mikä on ADC?

Analoginen-digitaalinen muunnin (ADC) on elektroninen piiri, joka muuntaa jatkuvan analogisen signaalin digitaaliseksi arvoksi, jonka mikrokontrolleri, prosessori, FPGA tai tietokone voi lukea ja käsitellä.

Miten ADC toimii?

ADC muuntaa analogisen signaalin digitaaliseksi dataksi seuraavan polun kautta:

• Analoginen tulo: Alkuperäinen jännite tai signaali, joka saapuu ADC:hen.

• Anti-aliasing-suodatin: Poistaa taajuudet, jotka voisivat aiheuttaa aliasointia ennen näytteenottoa.

• Sample-and-hold: Kaappaa syöttöjännitteen tietyssä hetkessä ja pitää sen muunnon aikana.

• Kvantointi: Määrittää näytteenoton jännitteen lähimpään saatavilla olevaan digitaaliseen tasoon.

• Koodaus: Muuntaa kvantoidun tason binäärikoodiksi.

• Digitaalinen ulostulo: Lähettää lopullisen digitaalisen arvon mikrokontrollerille, prosessorille, FPGA:lle tai muulle digitaaliselle järjestelmälle.

N-bittiselle ADC:lle:

Tasojen määrä = 2ᴺ

Ihanteellinen LSB:n koko = Täydellinen skaalarange ÷ 2ᴺ

Ihanteellinen kvantointivirhe = ±0.5 LSB

Esimerkiksi, 12-bittinen ADC sisältää:

2¹² = 4096 tasoa

0–3.3 V tuloalueella:

3.3 V ÷ 4096 ≈ 0.806 mV

Joten jokainen ihanteellinen LSB edustaa noin 0.806 mV:ta, kun ihanteellinen kvantointivirhe on noin ±0.403 mV.

Kuvio 2: Unipolar 0–3.3 V kvantointi-esimerkki binäärikoodien kanssa

Mitkä ovat ADC:iden päätyypit?

Eri ADC-arkkitehtuurit käyttävät erilaisia muuntomenetelmiä, jotka vaikuttavat nopeuteen, resoluutioon, energiankulutukseen, viiveeseen ja tarkkuuteen.

ADC-tyyppi	Miten se toimii	Pääetu	Päärajoitus	Yleiset sovellukset
SAR ADC	Käyttää sisäistä DAC:ta, vertailijaa ja peräkkäisen lähestymistavan rekisteriä. Suorittaa binäärin etsinnän testaamaan yhtä bittiä kerrallaan, kunnes lähin digitaalinen koodi löytyy.	Hyvä tasapaino nopeuden, resoluution, alhaisen tehon ja alhaisen viiveen välillä	Ei sovellu korkeimman nopeuden signaaleihin	Mikrokontrollerit, anturit, teollisuusohjaus, datan hankinta
Sigma-Delta ADC	Yliampuu sisääntuloa korkealla sisäisellä taajuudella. Melun muotoilu työntää suuren osan kvantointimelusta signaalikaistan ulkopuolelle, kun taas digitaalinen suodatus ja vähentäminen tuottavat lopullisen alhaisemman taajuuden ulostulon.	Korkea resoluutio ja alhainen melu	Alempi kaistanleveys ja suurempi suodatinviive	Tarkkuussensorit, audio, vaakojen järjestelmät
Flash ADC	Käyttää monia vertailijoita samanaikaisesti syötteen tason määrittämiseksi. Ihanteellinen N-bittinen flash ADC vaatii 2ᴺ − 1 vertailijaa.	Erittäin nopea muunnos	Korkea virrankulutus, suuri piirikoko ja monimutkaisuus	RF, radarit, oskilloskoopit
Putki-ADC	Muuntaa syötteen useiden vaiheiden kautta. Jokainen vaihe ratkaisee osan signaalista, vähentää sen arvion, vahvistaa jäljellä olevan jäännöksen ja siirtää sen seuraavaan vaiheeseen.	Korkea näytteenottotaajuus hyödyllisellä tarkkuudella	Lisää muunnosviivettä	Viestintä, kuvantaminen, nopeasti tapahtuva tietojen hankinta
Kaksois-ramppi-ADC	Integroi tuntemattoman syötteen kiinteän ajan ajan, minkä jälkeen se integroi tunnetun viitearvon vastakkaisella polariteetilla, kunnes integrointi palaa lähtötasolle. Mitattu aika määrittää digitaalisen tuloksen.	Korkea tarkkuus ja hyvä melun vaimennus	Hidas muunnos	Digitaaliset monimittarit ja tarkkuusmittarit

SAR ADC määrittää tuloksen binäärisen haun prosessilla käyttäen sisäistä DAC:ta ja vertailijaa. Sigma-delta ADC luottaa ylänäytteenottoon, melun muokkaamiseen, digitaaliseen suodatukseen ja vähentämiseen korkearesoluutioisten mittausten saamiseksi. Flash ADC saavuttaa erittäin korkean nopeuden käyttämällä monia rinnakkaisia vertailijoita, kun taas putki-ADC käsittelee signaalijäännöksen useiden muunnosvaiheiden läpi. Kaksois-ramppi-ADC käyttää integraatiota ja aikarajoja, mikä tekee siitä hyvin soveltuvan hitaisiin, tarkkoihin mittauksiin.

ADC Resoluutio, Näytteenottotaajuus ja Tarkkuus

ADC:n suorituskyky riippuu pääasiassa resoluutiosta, näytteenottotaajuudesta ja tarkkuudesta.

Parametri	Merkitys	Miksi se on tärkeää
Resoluutio	Muunnokseen käytettyjen bittien määrä	Määrittää pienimmän syötemuutoksen, jonka ADC voi esittää
Näytteenottotaajuus	Otettujen näytteiden määrä sekunnissa	Määrittää, kuinka nopeasti muuttuva signaali voidaan mitata
Tarkkuus	Kuinka lähellä tulos on todellisesta syötteestä	Vaikuttaa mittauksen oikeellisuuteen
ENOB	Tehokas bittimäärä	Näyttää käytettävän resoluution melun ja vääristymien jälkeen

ADC Resoluutio

Resoluutio määrittää, kuinka monta digitaalista tasoa ADC voi tuottaa.

8-bittinen = 256 tasoa

10-bittinen = 1,024 tasoa

12-bittinen = 4,096 tasoa

16-bittinen = 65,536 tasoa

Korkeampi resoluutio sallii pienempien signaalimuutosten esittämisen, mutta melu ja piivirheet voivat vähentää käytettävää resoluutiota.

ADC Näytteenottotaajuus

Näytteenottotaajuus on se näytteiden määrä, jonka ADC ottaa sekunnissa, ja se ilmoitetaan tavallisesti SPS, kSPS tai MSPS -yksiköissä.

Kaistanrajoitetun perusjännitteen signaalin osalta näytteenottotaajuuden on oltava suurempi kuin kaksi kertaa suurin signaalitaajuus:

fₛ > 2 × fmax

Esimerkiksi perusjännitteen signaali, joka sisältää taajuuksia jopa 10 kHz, vaatii teoreettisesti:

fₛ > 20 kSPS

Käytännön suunnitelmissa näytteenottotaajuus on yleensä korkeampi, koska todellinen ali-aliassuodatin tarvitsee siirtymäkaistan suurimman vaaditun signaalitaajuuden ja fₛ/2 välillä.

Nämä termit ovat erilaisia:

Termi	Merkitys
Näytteenottotaajuus	Otettujen näytteiden määrä sekunnissa
Analogisen syötteen kaistanleveys	Taajuusalue, jonka ADC:n analoginen etupää voi hyväksyä
Muunnosläpäisy	Suurin valmis muunnosten määrä sekunnissa
Kanavakohtainen näytteenottotaajuus	Tehokas näytteenottotaajuus, joka on käytettävissä jokaiselle kanavalle

Multiplexoidulle ADC:lle kokonaismuunnosläpäisy jakautuu kanavien kesken. Esimerkiksi 100 kSPS ADC, joka mittaa neljää kanavaa yhtä paljon, voi tarjota noin 25 kSPS per kanava, ennen kuin otetaan huomioon hankinta, kanavan vaihtaminen ja asettumisaika.

ADC Tarkkuus, SINAD ja ENOB

ADC:n tarkkuuteen vaikuttavat viitevirhe, offset-virhe, vahvistusvirhe, ei-lineaarisuus, melu, vääristymä, puuttuvat koodit, aukkoheilat ja muut muunnosvirheet.

SINAD, eli Signaalin ja Melun sekä Vääristymien Suhde, vertailee haluttua signaalia yhdessä ADC:n ulostulon yhdistetyn melun ja vääristymän kanssa.

ENOB, eli Tehokas bittimäärä, näyttää ADC:n käytettävän dynaamisen resoluution melun ja vääristymien jälkeen.

ENOB = (SINAD − 1.76) ÷ 6.02

Esimerkiksi, jos SINAD on 68 dB:

ENOB = (68 − 1.76) ÷ 6.02 ≈ 11.0 bittiä

Tämä kaava pätee sini-aaltotestaamiselle määritellyissä syöte-taajuus-, syöte-amplitudi- ja näytteenottokonditioissa.

Muita tärkeitä ADC:n tarkkuustermistöjä ovat:

• Kokonaissopeuttamaton virhe (TUE): Suurten staattisten ADC-virheiden yhdistetty vaikutus ilman kalibrointia.

• Puuttuvat koodit: Digitaaliset lähtökoodit, jotka eivät ilmesty muuntajan epälineaarisuuden vuoksi.

• Apertuurin jitter: Aikaviive epävarmuus näytteenottomomentissa, joka tulee tärkeämmäksi korkeammilla syöttötaajuuksilla.

• Meluton tarkkuus: Bitin määrä, joka pysyy vakaana ilman koodimuutoksia, joita aiheuttaa huipusta huippuun melu.

Tärkeitä ADC-spesifikaatioita ja suorituskykystekijöitä

Spesifikaatio	Mitä tarkistaa	Miksi se on tärkeää
Syöttöalue	Minimi- ja maksimi-syöttöjännite	Varmistaa, että signaali pysyy ADC-mitattavissa alueella
Viitejännite	Tarkkuus, vakaus, poikkeama ja melu	Määrittää muuntamisalueen ja vaikuttaa mittauksen tarkkuuteen
Tarkkuus	Vaadittu bitin määrä	Määrittää saatavilla olevien digitaalisten tasojen määrän
Näytteenottotaajuus	Näytteet sekunnissa	Määrittää, kuinka usein syöttösignaali otetaan näytteeksi
Muunnosläpimeno	Suoritetut muunnokset sekunnissa	Tärkeä jatkuville ja monikanavaisille mittauksille
ENOB	Tehokas bitin määrä	Näyttää käyttökelpoisen dynaamisen tarkkuuden melun ja vääristymien jälkeen
SINAD	Signaalin, melun ja vääristymien suhde	Näyttää yhdistetyn melun ja vääristymän suorituskyvyn
SNR	Signaalin ja melun suhde	Ilmaisee signaalin laadun verrattuna meluun
Kokonaisvirhe (TUE)	Yhdistetty staattinen muunnosvirhe	Auttaa arvioimaan yleistä tasasähkön mittauksen tarkkuutta ilman kalibrointia
INL	Integraalinen epälineaarisuus	Näyttää poikkeaman ihanteellisesta ADC-siirtokäyrästä
DNL	Diferentiaalinen epälineaarisuus	Näyttää vaihtelut vierekkäisten digitaalisten koodivaiheiden välillä
Puuttuvat koodit	Koskeeko kaikkia odotettuja lähtökoodivaiheita	Puuttuvat koodit vähentävät käyttökelpoista muunnosjatkuvuutta
Apertuurin jitter	Näytteenottovirheraja	Voi vähentää tarkkuutta ja SNR:ää korkeammilla syöttötaajuuksilla
Meluton tarkkuus	Vakaa tarkkuus, joka perustuu huipusta huippuun meluun	Tärkeä matalameluisille tasasähkön ja anturimittauksille
Offset-virhe	Virhe lähellä nollasyöttöä	Vaikuttaa matalasignalimitansa mittauksiin
Voimavirhe	Virhe lähellä täysmittaista syöttöä	Vaikuttaa mittauksen skaalaamiseen syöttöalueella
Hankinta-aika	Aika, joka tarvitaan ADC-syötteen signaalin hankkimiseen	Riittämätön hankinta-aika voi aiheuttaa virheitä, erityisesti korkean lähteellisen impedanssin kanssa
Syöttöimpedanssi	Kuormitus signaalilähteellä	Voi vaikuttaa signaalin asettumiseen ja mittauksen tarkkuuteen
Kanavien määrä	Analogisten syöttöjen määrä	Määrittää, kuinka monta signaalia voidaan mitata
Syöttötyyppi	Yksittäinen tai differentiaalinen	On yhteensopiva anturin tai signaalilähteen kanssa
Liitäntä	SPI, I²C, rinnakkainen, LVDS tai muu liitäntä	On oltava yhteensopiva prosessorin tai FPGA:n kanssa
Tehonkulutus	Aktiivinen ja lepotila virta	Tärkeä kannettaville ja matalan tehon järjestelmille
Käyttölämpötila	Vaadittu lämpötila-alue	Tärkeä teollisiin ja autototeutuksiin

Dynaamisen ADC-suorituskyvyn osalta SINAD ja ENOB tulisi tarkistaa määritettynä syöttötaajuudella, syöttöamplitudilla ja näytteenottotaajuudella, koska nämä arvot voivat muuttua käyttöolosuhteista riippuen. Apertuurin jitter tulee tärkeämmäksi syöttötaajuuden noustessa, kun taas meluton tarkkuus on erityisen hyödyllinen tarkkuuden tasasähkön ja matalataajuisissa mittauksissa.

Yleisiä ADC-sovelluksia ja käyttötapauksia

ADC:itä käytetään siellä, missä digitaalisen järjestelmän on mitattava analogista signaalia.

Sovellus	Mitattu signaali	Pää ADC-vaatimus
Lämpötilan tunnistus	Termistorit, RTD tai anturijännite	Tarkkuus ja matala melu
Akun valvonta	Akku- tai syöttöjännite	Syöttöalue ja tarkkuus
Äänitallennus	Mikrofoni tai ääniaallon muoto	Näytteenottotaajuus ja matala vääristymä
Teollisuusohjaus	Paine, virta, sijainti ja virta	Luotettavuus ja melusuorituskyky
Autoelektroniikka	Lämpötila, paine, jännite ja virta	Laaja lämpötila-alue ja kestävyys
Lääketieteelliset instrumentit	Matalasignaalisen anturin signaalit	Korkea tarkkuus ja matala melu
Tietojen hankinta	Useita mittauskanavia	Tarkkuus, kanavamäärä ja näytteenottotaajuus
Oskilloskoopit	Korkeanopeudelliset jänniteaaltomuodot	Korkea näytteenottotaajuus ja kaistaleveys

ADC-tyypin tulisi vastata signaalia. Hitaat tarkkuussensorit tarvitsevat yleensä tarkkuutta ja alhaista häiriötaustaa, kun taas nopeat aaltomuodot vaativat suurta näytteenottokykyä ja riittävää kaistaleveyttä.

Kuinka valita oikea ADC: Esimerkkitapaus

Esimerkkijärjestelmän vaatimukset: 0–3.3 V syöttöalue, 1 mV vähimmäissignaalimuutos, 1 kHz suurin signaalifrekvenssi ja 4 kanavaa.

Valintavaihe	Laskenta / Vaatimus	Tulos
Vaatimustarkkuus	3.3 V ÷ 0.001 V = 3,300 tasoa	Vähintään 12-bittinen ADC, koska 2¹² = 4,096 tasoa
LSB-koko	3.3 V ÷ 4096	≈ 0.806 mV/LSB
Vähimmäisnäytteenottotaajuus	> 2 × 1 kHz	> 2 kSPS per kanava
Käytännön näytteenottotaajuus	Lisää marginaali anti-aliasing-suodattimen siirtymäkaistalle	5 kSPS per kanava
Kanavakohtainen läpivirtaama	Vaatimusten mukainen näytteenottotaajuus jokaiselle kanavalle	5 kSPS / kanava
Kokonaisläpivirtaama	4 kanavaa × 5 kSPS	20 kSPS vähimmäiskokonaisläpivirtaama
Syöttöalue	Anturin lähtö = 0–3.3 V	ADC:n tulisi tukea 0–3.3 V tai käyttää signaalin käsittelyä
Viittauksen tarkkuus	0.5 LSB = 0.403 mV; 0.403 mV ÷ 3.3 V × 100	≈ 0.0122% tai 122 ppm suurin alkuvirhevaraus
Muuntojakso	1 ÷ 20,000	50 µs
Hankintaikkuna	50 µs − 10 µs oletetusta muunto-/liitäntäylityksestä	40 µs
Asettumisen vaatimus	ADC:n tulojen on asetuttava ±0.5 LSB sisällä 40 µs:n hankintaikkunassa. Ensimmäisen asteen järjestelmässä 12-bittisen tarkkuuden kohdalla tsettle ≈ 9τ.	τ ≤ 40 µs ÷ 9 ≈ 4.4 µs
SAR ADC	Sopii vaaditulle tarkkuudelle, läpivirtaamalle, alhaiselle viiveelle ja monikanavaiselle näytteenotolle	Paras vaihtoehto
Sigma-Delta ADC	Hyvä tarkkuus ja alhainen häiriötausta, mutta viive ja kanavavaihdot on tarkistettava	Mahdollinen
Pipeline ADC	Paljon nopeampi kuin vaaditaan	Yleensä tarpeeton
Flash ADC	Korkea nopeus, teho ja monimutkaisuus ovat tarpeettomia	Huono valinta
Dual-Slope ADC	Hyvä tarkkuus mutta yleensä liian hidas	Huono valinta
Suositeltu ADC	Sen on täytettävä kaikki lasketut vaatimukset	12-bittinen tai korkeampi SAR ADC, ≥4 kanavaa ja >20 kSPS kokonaisläpivirtaama

10 µs:n ylitys on esimerkkioletus. Käytä valitun ADC:n tietolehtiarvoja muuntoajalle, hankinta-ajalle, sisäänmenokapasiteetille ja lähdeimpedanssille.

Yleiset ADC-ongelmat ja vianetsintä

Ongelma	Todennäköinen syy	Suositeltava tarkistus
Meluisat ADC-lukemat	Meluava syöttö, viite, maa tai anturi	Tarkista dekouppaus, suodatus, maadoitus ja viittauksen vakaus
Luku pysyy nollassa	Ei syöttösignaalia, väärä kanava tai konfigurointivirhe	Mittaa syöttöjännite ja tarkista ADC-asetukset
Luku pysyy lähellä maksimiarvoa	Syöttö ylittää ADC:n alueen	Tarkista syöttöjännite ja signaalikäsittelypiiri
Luku on epätarkka	Viitevihreys, offset, vahvistusvirhe tai vastustoleranssi	Mittaa viittaus ja tarkista skaalauskomponentit
Lukemat vaihtuvat kanavien välillä	Korkea lähdeimpedanssi tai riittämätön asettumisaika	Lisää hankinta-aika tai puskuroi sisäänmeno
Nopea signaali näyttää virheelliseltä	Näytteenottotaajuus liian matala	Lisää näytteenottotaajuutta ja käytä anti-aliasing-suodatinta
Alhaiset bitit vaihtelevat	Sähkön häiriö	Paranna maadoitusta, suodatusta, varjostusta tai keskiarvoistusta
Luku muuttuu lämpötilan mukaan	Viite- tai komponenttivaihtelu	Käytä alhaisen vaihtelun komponentteja tai kalibrointia

Johtopäätös

ADC muuntaa analogiset signaalit digitaalisiksi arvoiksi käsittelyä ja mittaamista varten. Oikea ADC riippuu tarkkuudesta, näytteenottotaajuudesta, tarkkuudesta, syöttöalueesta, häiriöstä, viittauksen laadusta, liitännästä ja tehovaatimuksista. SAR ADC:t sopivat moniin upotettuihin järjestelmiin, sigma-delta ADC:t soveltuvat tarkkuusmittauksiin, ja pipeline- tai flash ADC:t ovat parempia nopeille signaaleille. Hyvä signaalin käsittely, maadoitus, suodatus ja viittausmuotoilu ovat myös tärkeitä luotettavan muunnoksen kannalta.