Menyelesaikan Isyarat: Pengenalan kepada Bunyi dalam Delta-Sigma ADC Bahagian 3

Stress, Portrait of a Killer - Full Documentary (2008) (Julai 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Menyelesaikan Isyarat: Pengenalan kepada Bunyi dalam Delta-Sigma ADC Bahagian 3


Siri artikel 12 bahagian ini memberi tumpuan kepada kesan bunyi dalam ADC delta-sigma. Bahagian 3 membawa maklumat teoritis yang disediakan di bahagian 1 dan 2 kepada contoh reka bentuk dunia sebenar.

Dalam kedua-dua bahagian 1 dan bahagian 2 dalam siri ini, saya meneroka prestasi bunyi penukar analog-ke-digital (ADC) secara terperinci, dari ciri-ciri dan sumbernya bagaimana ia diukur dan ditentukan. Dalam bahagian 3 siri ini, saya akan menerapkan pemahaman teori dari bahagian 1 dan 2 kepada contoh reka bentuk dunia sebenar. Akhirnya, matlamatnya adalah untuk memberi anda pengetahuan yang diperlukan untuk menjawab soalan, "Apa prestasi bunyi yang saya perlukan" membolehkan anda dengan mudah dan percaya diri memilih ADC untuk permohonan anda yang seterusnya.

Spesifikasi Sistem

Saya akan memulakan contoh dengan menentukan spesifikasi sistem untuk aplikasi itu, menukar spesifikasi ini ke dalam parameter sasaran prestasi bunyi dan menggunakan maklumat tersebut untuk membandingkan potensi ADC. Sebagai contoh, mari kita analisis aplikasi skala berat yang menggunakan jambatan resistif empat dawai yang serupa dengan yang ditunjukkan dalam Rajah 1.

Rajah 1. Jambatan rintangan empat dawai biasa

Untuk spesifikasi sistem, anggap jambatan dengan kepekaan 2mV / V dan voltan pengujaan 2.5V yang anda mahu sampel pada 5 sampel sesaat (SPS). Ini menyediakan voltan keluaran maksima 5mV yang sepadan dengan berat maksimum yang dikenakan 1kg. Mari kita juga menganggap bahawa anda mahu dapat menyelesaikan berat minimum yang dikenakan 50mg. Jadual 1 meringkaskan parameter ini.

Sekarang bahawa anda mempunyai spesifikasi sistem, mari kita mengubahnya menjadi parameter bunyi biasa untuk membantu memilih ADC yang terbaik.

Menentukan Parameter Bunyi Sistem

Dalam bahagian 2 siri ini, saya sangat disyorkan menggunakan bunyi input yang dirujuk untuk menentukan parameter bunyi sistem dan memilih ADC. Tetapi mari kita mulakan dengan pendekatan yang lebih umum menggunakan perkiraan bebas bunyi dan resolusi tanpa bunyi. Kemudian anda boleh membandingkan kaedah ini untuk menggunakan bunyi dirujuk input langsung. Persamaan 1 dan 2 mengira parameter bunyi awal anda:

Persamaan 1

Persamaan 2

Dengan resolusi bebas bunyi yang diperlukan sebanyak 14.3 bit, anda dengan cepat boleh menyimpulkan bahawa anda hanya perlu ADC 16-bit. Walau bagaimanapun, seperti yang saya katakan pada bahagian 2, resolusi bebas bunyi delta-sigma ADC resolusi tinggi sebenarnya boleh bergantung kepada penggunaan peratusan pelbagai skala ADC. Dalam contoh ini, sistem menggunakan voltan rujukan 2.5V dan isyarat masukan maksimum adalah hasil daripada voltan pengujaan (2.5V) dan kepekaan jambatan (2mV / V). Persamaan 3 menunjukkan kerugian resolusi yang dijangka menggunakan Persamaan 2 dari bahagian 2:

Persamaan 3

Ini adalah hasil dramatik. Oleh kerana anda hanya menggunakan 0.1% dari julat skala penuh yang ada, anda akan kehilangan hampir 10 bit resolusi. Di peringkat ini, walaupun ADC 24-bit tidak mencukupi untuk memenuhi keperluan sistem. Untuk memperbaiki masalah ini, anda perlu meningkatkan penggunaan peratusan dengan sama ada menukar spesifikasi sistem atau menguatkan isyarat masukan. Dengan mengandaikan bahawa anda mempunyai sedikit kawalan terhadap apa yang diperlukan oleh sistem, anda dibiarkan dengan memperoleh input, tindakan yang mutlak mengubah prestasi bunyi rantai isyarat.

Nasib baik, anda boleh meneruskan analisis anda tanpa memerlukan pemahaman terperinci mengenai bagaimana bunyi penguat mempengaruhi prestasi sistem. Sebaliknya, anda boleh menggunakan pengetahuan sedia ada anda untuk menganalisis jadual hingar data lembaran ADC dengan penguat gain bersepadu (PGA) bersepadu untuk menentukan sama ada ia memenuhi keperluan sistem.

Sebagai contoh, Rajah 2 menunjukkan jadual resolusi yang berkesan dan bebas bunyi untuk 24-bit ADS124S08 sehingga 50SPS, dengan kadar data sasaran diserlahkan. Perhatikan bahawa ADS124S08 termasuk keuntungan dari 1V / V sehingga 128V / V.

Rajah 2. Resolusi berkesan ADS124S08 (resolusi tanpa bunyi) - Penapis Sinc3 pada AVDD = 3.3V, AVSS = 0V, PGA membolehkan, cacat global yang cacat dan rujukan 2.5V dalaman

Untuk menentukan sama ada ADC ini memenuhi keperluan anda, anda perlu mengira semula kerugian resolusi yang dijangkakan bagi setiap penentuan keuntungan secara berasingan, kerana setiap hasil dalam penggunaan peratusan yang berbeza. Anda kemudian perlu menambah ini kepada setiap nilai resolusi bebas bunyi yang sesuai yang dilaporkan dalam Rajah 2 untuk melihat sama ada ia memenuhi spesifikasi sistem. Jadual 2 menyenaraikan resolusi bebas bunyi sistem yang dikira dalam bit menggunakan ADS124S08 pada kadar data 5SPS.

Jadual 2 memberitahu anda bahawa anda hanya boleh mencapai resolusi bebas bunyi sistem yang diperlukan sebanyak 14.3 bit menggunakan keuntungan 32, 64 atau 128V / V pada 5SPS. Rajah 3 menonjolkan nilai-nilai ini dalam konteks jadual hingar lembaran data.

Rajah 3. Keuntungan tetapan yang memenuhi keperluan sistem menggunakan ADS124S08 pada kadar data 5SPS

Satu takeaway utama dari Rajah 3 adalah bahawa tidak ada cara mudah untuk mengaitkan nilai-nilai dalam lembaran data ke parameter sistem-bunyi tanpa pengiraan berganda. Walaupun ini mungkin tidak relevan sekarang selepas mengira keputusan, bagaimana jika spesifikasi sistem tiba-tiba berubah?

Katakan anda memutuskan untuk meningkatkan voltan pengujaan (rujukan) dari 2.5V hingga 5V. Anda juga akan meningkatkan sensitiviti jambatan kepada 20mV / V (yang bermaksud bahawa anda tidak boleh menggunakan tetapan keuntungan tertinggi kerana ini akan melebihi jangkauan ADC). Dan anda sedang meneroka pilihan pensampelan di 20SPS dan bukannya 5SPS. Bagaimanakah perubahan ini menjejaskan analisis bunyi ADC anda?

Untuk menentukan jawapan, anda perlu mengira kehilangan resolusi baru untuk setiap penetapan keuntungan pada kadar data baru dan voltan rujukan. Selain itu, anda perlu mencipta semula jadual dalam Rajah 2 berdasarkan voltan rujukan 5V, kerana pengiraan jadual ini menggunakan voltan rujukan 2.5V. Akhirnya, anda perlu mencipta Jadual 2 dengan menolak kerugian resolusi yang dikira daripada jadual resolusi bebas bunyi yang dibuat dengan menggunakan voltan rujukan 5V.

Diakui, ini banyak kerja, dan hasil langsung dari resolusi bebas bunyi menjadi parameter relatif. Oleh itu mari kita bertukar untuk menggunakan parameter hingar mutlak, seperti yang dicadangkan dalam bahagian 2, dan lihat bagaimana analisis berubah.

Menggunakan Bunyi Dirujuk Input

Seperti resolusi bebas bunyi, anda hanya perlu mengetahui beberapa spesifikasi sistem anda untuk menentukan bunyi input yang diperlukan untuk jambatan anda. Anda perlu tahu isyarat keluaran maksima, iaitu 5mV. Anda juga perlu mengetahui berat yang mana isyarat maksimum ini sepadan dengan 1kg. Dan akhirnya, anda perlu mengetahui berat badan minimum yang digunakan, iaitu 50mg. Dengan beberapa bit maklumat ini, anda boleh menggunakan Persamaan 4 untuk menentukan bahawa ADC anda perlu dapat menyelesaikan isyarat peak-to-peak dari 250nV:

Persamaan 4

Salah satu manfaat menggunakan bunyi dirujuk input adalah bahawa anda tidak perlu risau tentang mengira kehilangan resolusi. Sebaliknya, anda boleh membandingkan nilai yang dikira anda secara langsung terhadap jadual hingar yang dirujuk input untuk ADC anda untuk menentukan gabungan tetapan yang menawarkan tahap prestasi bunyi yang sama atau lebih rendah.

Rajah 4 adalah versi ringkasan jadual hingar yang dirujuk input untuk ADS124S08. Saya telah menyerlahkan apa-apa gabungan keuntungan dan tetapan kadar data yang menyediakan ≤250nVPP bunyi input yang dirujuk.

Rajah 4. Kadar data dan mendapatkan kombinasi menyediakan ≤250nVPP menggunakan ADS124S08 (Nota: Nilai meja diberikan sebagai "bunyi μVRMS (μVPP)" menggunakan voltan rujukan 2.5V)

Jika anda membandingkan keputusan dalam Rajah 4 ke analisis anda menggunakan resolusi bebas bunyi dalam Rajah 3, anda akan melihat bahawa Rajah 4 menyediakan keseluruhan rangkaian tetapan ADS124S08 yang memenuhi keperluan sistem. Gambar 3 hanya menyediakan nilai pada kadar data yang dipilih dan memerlukan anda melakukan pengiraan baru untuk kadar data yang berbeza, menjadikan pendekatan ini kurang dapat disesuaikan dengan perubahan spesifikasi sistem.

Kesan Perubahan Sistem

Sekarang kita anggap bahawa anda telah meningkatkan berat badan maksimum maksimum anda kepada 5kg, berat minimum yang digunakan untuk 500mg dan memastikan isyarat keluaran maksimum jambatan anda pada 5mV, seperti dalam Persamaan 5:

Persamaan 5

Dengan pengiraan pantas, anda dapat menentukan bahawa keperluan bunyi bising sistem anda telah dilonggarkan kepada 500nVPP, yang menjadikan lebih banyak data-rate dan mendapatkan kombinasi yang tersedia untuk anda. Rajah 5 menunjukkan bahawa spesifikasi sistem yang rileks ini membolehkan anda untuk mencuba lebih cepat (sehingga 20SPS) atau mengurangkan keuntungan anda (turun hingga 4V / V) sementara masih mencapai prestasi bunyi yang diperlukan.

Rajah 5. Kadar data dan mendapatkan kombinasi yang menyediakan ≤500nVPP menggunakan ADS124S08 (Nota: Nilai meja diberikan sebagai "bunyi μVRMS (μVPP)" menggunakan voltan rujukan 2.5V)

Bagaimana jika skala berat anda memerlukan lebih banyak resolusi? Contohnya, anda mengekalkan keperluan berat maksimum 5kg tetapi kembali kepada berat minimum 50mg dari contoh pertama. Menjaga output jambatan maksimum anda sama (5mV), anda kini memerlukan 50nVPP bunyi yang dirujuk input, yang sangat rendah. Melihat Rajah 4 atau 5, jelas bahawa tiada gabungan kadar data ADS124S08 dan keuntungan yang dapat memberikan tahap prestasi ini. Tetapi kerana anda boleh dengan mudah melakukan analisis yang sama dengan ADC mana-mana, hanya pilih satu dengan prestasi bunyi yang lebih baik.

Rajah 6 menunjukkan jadual hingar untuk ADS1262, ADC 32-bit yang berfungsi sama dengan ADS124S08 tetapi menawarkan prestasi bunyi yang lebih baik. Langit hijau menandakan gabungan kadar data dan bunyi yang memberikan ≤50nVPP bunyi input yang dirujuk, dan mengesahkan bahawa ADS1262 dapat memenuhi keperluan resolusi baru sistem anda.

Rajah 6. Kadar data dan mendapatkan kombinasi yang menyediakan ≤50nV PP menggunakan ADS1262 (Nota: Nilai meja diberikan sebagai "bunyi RMV RMS (μV PP )" menggunakan voltan rujukan 2.5V)

Demi hujah, mari kita bandingkan hasil bunyi-input yang dirujuk kepada parameter relatif. Rajah 7 menonjolkan prestasi resolusi bebas bunyi ADS1262 pada kadar data yang sama dan mendapatkan konfigurasi yang ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah 7. Resolusi yang berkesan (bebas-bunyi) merujuk kepada ≤50nV PP menggunakan AD12626 dan voltan rujukan 5V

Dalam bahagian 2, saya menegaskan bahawa banyak jurutera tidak perlu bimbang dengan memaksimumkan resolusi bebas bunyi mereka (pelbagai dinamik). Mari kita periksa perkara ini dengan mengira resolusi bebas bunyi sistem anda daripada nilai yang diserlahkan paling besar pada kadar data 5SPS yang diperlukan oleh sistem. Dalam Rajah 7, nilai ini adalah 23.5 bit dan boleh didapati pada keuntungan 16V / V menggunakan penapis Sinc4.

Ingat dari kapsyen Rajah 7 bahawa pengiraan jadual menggunakan voltan rujukan 5V, bukan voltan rujukan 2.5V yang ditentukan oleh sistem. Untuk mengimbangi perbezaan ini, setiap nilai penyelesaian yang diberikan dalam Rajah 6 mesti dikurangkan dengan satu bit. Ini bermakna anda hanya boleh mengharapkan maksimum 22.5 bit resolusi tanpa bunyi pada keadaan yang diberikan. Anda kini boleh mengira kehilangan resolusi yang diharapkan untuk ADS1262 pada tetapan ini.

Menggunakan hasil dari Persamaan 6, resolusi bebas bunyi sistem hanya 16.5 bit menggunakan ADC 32-bit.

Persamaan 6

Bagi ramai, ini adalah keputusan yang menyedihkan yang seolah-olah mengesahkan ketakutan yang anda bayar untuk prestasi yang ADC sebenarnya tidak dapat menyediakan. Walau bagaimanapun, jika anda melihat tetapan yang sama dari Rajah 6, anda akan melihat bahawa anda sebenarnya mengambil kesempatan daripada bunyi 48nVPP pada keadaan yang diberikan. Ini adalah nilai yang sangat kecil, yang tidak mempunyai ADC 16-bit dan sangat sedikit 24-bit ADC yang boleh disediakan.

Pada akhirnya, ini adalah titik yang saya cuba buat. Anda memerlukan ADC resolusi tinggi untuk mencapai 16.5 bit resolusi bebas bunyi (pelbagai dinamik) kerana sistem memerlukan prestasi bunyi yang sangat rendah. Itulah sebabnya masuk akal untuk menentukan prestasi sistem dan memilih ADC menggunakan bunyi input yang dirujuk.

Dalam ansuran berikutnya dalam siri "Menyelesaikan Isyarat", saya akan membincangkan jalur lebar bising yang berkesan secara terperinci dan menyelidiki topik termasuk cara menentukan jumlah bunyi yang masuk ke dalam sistem dan kaedah untuk menyekat lebar jalur bunyi.


Artikel industri adalah satu bentuk kandungan yang membolehkan rakan kongsi industri berkongsi berita, mesej, dan teknologi yang berguna dengan pembaca All About Circuits dengan cara editorial tidak sesuai. Semua Artikel Industri tertakluk kepada garis panduan editorial yang ketat dengan niat untuk menawarkan pembaca berita berguna, kepakaran teknikal atau kisah. Pandangan dan pendapat yang dinyatakan di dalam Artikel Industri adalah rakan kongsi dan tidak semestinya yang dimaksudkan oleh All About Circuits atau penulisnya.