I convertitori analogico-digitali (ADC) ad alta risoluzione sono prodotti rari che servono mercati molto specifici in cui sono necessari un elevato intervallo dinamico e una buona accuratezza di misura per aiutare a fornire rappresentazioni precise dei segnali del mondo reale in ambienti di rumore difficili. Fino a poco tempo fa, questo mercato era per lo più servito dagli ADC sigma-delta, ossia dispositivi specializzati che devono essere sovracampionati e caratterizzati da velocità di uscita dei dati molto basse. Questo articolo introduce un nuovo ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) che combina un'alta risoluzione ad un'elevata frequenza di campionamento e a un eccezionale intervallo dinamico di 24-bit, superando l'intervallo dinamico e l'accuratezza di misura dei suoi concorrenti. Le applicazioni seguenti sono esempi di come questo elevato intervallo dinamico può essere sfruttato.
Un'applicazione medica, come ad esempio un encefalogramma, potrebbe richiedere la raccolta dei segnali in presenza di alti livelli di rumore; l'attività elettrica in una cellula quando stimolata, noto come potenziale di azione, può variare da 10uV a 100mV a frequenze che partono da 100Hz fino ad arrivare a 2kHz. Se i segnali sono sommersi nel rumore è necessario fare una media dei campioni utilizzando un ADC con elevato intervallo dinamico per risolvere il segnale.
La sismologia e l'esplorazione sismica sono altre difficili applicazioni con requisiti comuni. I segnali di sismometri e accelerometri possono avere un intervallo dinamico di 140dB e frequenze fino a 100Hz. L'SNR dei segnali sismici ricevuti dai sensori è molto basso a causa dell'assorbimento e dell'attenuazione da parte della subsuperficie e degli strati profondi durante la propagazione del segnale. La misura di questi segnali crea grosse difficoltà.
Un rilevatore di gas deve essere in grado di captare concentrazioni di gas molto basse, attivando l'allarme a livelli di rilevamento di appena 0,5ppm. Un'accuratezza elevata e un'ampia gamma dinamica sono fondamentali per questa applicazione al fine di garantire che le sostanze chimiche tossiche siano rilevate rapidamente, ma anche per assicurare che gli allarmi non vengano attivati immotivatamente.
Tendenze più ampie stanno alzando il livello della conversione dati. Lo spostamento verso i dispositivi portatili sta richiedendo attività di conversione dati sempre più complesse nella migrazione verso dispositivi alimentati a batteria. I progettisti devono sviluppare soluzioni usando meno spazio e minimizzando al contempo il consumo di energia.
Per le attività di conversione dati, tutte le architetture ADC comuni sono accompagnate da un elenco di vantaggi e di svantaggi.
Architetture dei convertitori di dati
Il design dei convertitori analogici-digitali è caratterizzato da una serie di compromessi. Per i convertitori, molto dipende dal loro obiettivo principale: alta risoluzione, alta velocità o basso consumo di energia. Nota: non è possibile scegliere tutti e tre!
Per coprire lo spettro totale dei requisiti di applicazione, nel corso degli anni sono comparse molte architetture ADC, tuttavia oggi vengono usate tre architetture principali.
L'architettura con registro ad approssimazioni successive (SAR) è stata tradizionalmente l'architettura imprescindibile per le principali applicazioni di conversione analogico-digitale con bassi segnali di frequenza. Rappresenta la transizione tra le architetture sigma-delta a bassa velocità ed elevata risoluzione, e l'architettura a pipeline ad alta velocità e prestazioni inferiori. Si tratta, solitamente, di architetture più economiche rispetto agli ADC a pipeline e che consumano una quantità di energia ridotta. Il convertitore SAR non presenta latenza tra conversioni successive, pertanto è la soluzione ideale per il campionamento di segnali multiplex o non periodici.
I convertitori a pipeline sfruttano un'architettura a pipeline sequenziale multifase che consente di aumentare la frequenza di campionamento. Dominano il mercato delle frequenze di campionamento molto elevate poiché acquisiscono segnali o ampiezze di banda dei segnali ampi a frequenze di ingresso superiori, e su una base per campione consumano meno energia rispetto agli ADC SAR veloci. Non sono adatti per la gestione di ingressi multiplex o non periodici poiché devono superare tutti gli stadi ogni volta che la fonte viene modificata, cosa che aggiunge una latenza considerevole. Il principale rivale dell'ADC SAR per le applicazioni a risoluzione superiore è stato il convertitore sigma-delta che si avvale di un modulatore sigma-delta e di un filtro di decimazione digitale. Questa architettura è lenta rispetto al SAR e non è precisa. Cosa ancora più importante, lo spettro del rumore di un ADC sigma-delta include i rumori vibranti mentre il rumore di fondo degli ADC SAR ha una densità spettrale di potenza uniforme. Ciò rende gli ADC SAR più adatti per rilevare toni o vibrazioni a livelli incredibilmente bassi.
Presentazione di LTC2380-24
Nonostante gli svantaggi che presenta, l'architettura sigma-delta relativamente lenta è stata l'unica opzione per le applicazioni ad alta risoluzione poiché i convertitori SAR tradizionalmente non erano disponibili a risoluzioni superiori ai 18 bit. Recentemente, Power by Linear di Analog Devices ha presentato LTC2380-24, un convertitore SAR che combina un'alta risoluzione (24 bit) con una frequenza di campionamento elevata (fino a 2Msps). Si tratta del prodotto di punta della famiglia LTC2380 di Power by Linear di Analog Devices che include LTC2378-20 a 20 bit e 1Msps, LTC2379-18 a 18 bit e 1,6Msps e LTC2380-16 a 16 bit e 2Msps, tra gli altri. Tutti questi componenti sono presenti nei pacchetti MSOP-16 e DFN da 4mm a 3mm e sono pin-compatibili.
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La precisione da 24 bit, la veloce frequenza di campionamento da 2Msps e la linearità da ±0,5ppm (tipicamente) impareggiabile consentono a LTC2380-24 di risolvere segnali di ingresso di livello molto basso in applicazioni con intervallo dinamico elevato come ECG/EEG.
LTC2380-24 include funzioni aggiuntive che aiutano a semplificare problemi di progettazione comuni, come un filtro digitale incorporato e la compressione del guadagno digitale per l'operazione ad alimentazione singola.
Le specifiche tecniche dettagliate sono presenti sulla pagina del prodotto LTC2380-24; questo articolo affronterà alcune delle caratteristiche speciali del componente e del modo in cui esse apportano benefici alle applicazioni di destinazione, e si occuperà di un paio di applicazioni dettagliate.
Filtraggio digitale per la media
Molte applicazioni, come ad esempio l'esplorazione sismica, richiedono la misura accurata di un segnale debole a bassa frequenza in presenza di rumore a banda larga. Il sovracampionamento del segnale a una frequenza notevolmente superiore al Nyquist, e la media del risultato delle conversioni multiple, riduce l'effetto di questo rumore non correlato. Il sovracampionamento accresce l'intervallo dinamico effettivo dell'ADC diffondendo il rumore all'interno di un'ampiezza di banda più ampia, riducendo in tal modo la densità spettrale del rumore nell'ampiezza di banda di interesse. Ciò riduce, inoltre, la complessità del filtro anti-alias front-end diminuendo il consumo di energia e la formazione di rumore e distorsioni.
LTC2380-24 presenta un filtro mediano digitale integrato che fornisce questa funzione senza bisogno di alcun hardware supplementare, semplificando il design e fornendo un gran numero di vantaggi unici. L'elevata frequenza di campionamento di LTC2380-24 lo rende un'opzione valida per numerose applicazioni. Il vantaggio che offre all'utente è la possibilità di liberare spazio all'interno delle risorse utili nel processore per eseguire altre attività, mentre i dati medi possono essere trasferiti a velocità di trasmissione notevolmente inferiori (di appena 2Msps).
Il filtro mediano digitale usato in LTC2380-24 è noto come filtro SINC1. Esso è in grado di fare medie di blocchi di conversioni a partire da N = 1 fino a N = 65.536. I risultati sono stupefacenti, infatti migliora l'intervallo dinamico portandolo da 101dB a 1,5Msps, per una prestazione reale a 24 bit di 145dB a 30,5sps
Figura 1: miglioramento dell'intervallo dinamico con il filtro mediano digitale
Frequenze di ingresso particolari possono essere rigettate selezionando N sulla base della frequenza di campionamento e della frequenza desiderata da rigettare. Ciò è particolarmente utile se si intendono rigettare le frequenze di linea di 50Hz o 60Hz, che sono un problema per molte applicazioni di acquisizione dati sensibili.
Ad esempio, selezionando N = 20.000 e una frequenza di campionamento di 1Msps si rigettano le frequenze di 50Hz; fare riferimento alla scheda dati di LTC2380-24 per ulteriori dettagli.
Compressione del guadagno digitale
Figura 2: compressione del guadagno digitale
LTC2380-24 -24 include la compressione del guadagno digitale (DGC). Questa funzione definisce l'oscillazione di ingresso a scala completa tra il 10% e il 90% dell'intervallo di ingresso analogico +/- VREF. Il pin REF/DGC è tenuto basso per abilitare questa funzione. Il DGC fa sì che il circuito di condizionamento del segnale posto davanti a LTC2380-24 venga alimentato da un'alimentazione singola da +5V, poiché ogni ingresso ADC oscilla tra 0,5V e 4,5V quando si utilizza un riferimento di 5V con LTC2380-24, come mostrato nella Figura 2. Ciò elimina la necessità di un rail negativo sul driver ADC, consentendo di ridurre il costo del sistema e di offrire risparmi energetici aggiuntivi all'intero sistema. Le applicazioni portatili e alimentate a batteria beneficeranno in modo particolare di questa caratteristica.
Gestione della potenza
LTC2380-24 si spegne al termine della conversione, nonostante i dati di conversione possano ancora essere estrapolati. Nella modalità di spegnimento, il consumo totale di energia è di soli 2,5uW (tipicamente), rendendolo adatto alle applicazioni a basso consumo che richiedono solo campioni di ingresso periodici. LTC2380-24 consuma solo 28mW da un'alimentazione singola di 2,5V quando effettua il campionamento a 2Msps.
Dettaglio delle applicazioni: ottimizzazione del driver di ingresso
Con le elevate frequenze di campionamento e l'alta risoluzione di LTC2380-24, è importante porre attenzione al circuito del driver dell'ingresso analogico dell'ADC in modo tale che non limiti le prestazioni complessive. Con una dimensione dell'LSB di soli 0,6μV per VREF=5V, non è facile assicurarsi che il driver non sia il fattore limitante!
Figura 3: filtraggio dell'ingresso di LTC2380-24
Per fornire un'impedenza di output bassa al fine di sistemare rapidamente il segnale analogico durante la fase di campionamento e contatto si consiglia l'uso di un amplificatore separatore. La distorsione e il rumore dell'amplificatore separatore e della fonte del segnale devono essere ovviamente presi in considerazione, poiché aggiungono rumore e distorsione all'ADC.
Per minimizzare il rumore, i segnali di input devono essere filtrati prima dell'input dell'amplificatore separatore con un filtro appropriato. Il filtro passa basso RC semplice (LPF1) mostrato nella Figura 3 è sufficiente per molte applicazioni.
Tra l'output del driver e l'input dell'ADC è necessario un ulteriore filtro passa basso, LPF2. Questo è importante perché il processo di campionamento dell'LTC2380-24 crea un transiente di carica nel momento in cui il condensatore di campionamento viene acceso all'inizio del processo di campionamento e contatto. Ciò "riduce" brevemente l'output dell'amplificatore quando la carica passa dall'amplificatore al condensatore di campionamento. Il driver deve essere in grado di recuperare da questo transiente di carica prima della fine del periodo di campionamento. In caso contrario, il segnale del pin di input dell'ADC non sarà una rappresentazione valida. LPF2 disaccoppia il transiente di campionamento dell'ADC; la capacitanza fornisce la maggior parte della carica e i resistori riducono e attenuano la carica iniettata da LTC2380-24.
LPF2 fornisce il filtraggio passa basso differenziale e di modo comune. La frequenza d'interruzione differenziale è data da 1/2πR(2CD + CC), mentre la frequenza d'interruzione di modo comune da 1/2πRCC.
È fondamentale che i condensatori CC corrispondano il più possibile. Poiché resistori e condensatori possono aggiungere distorsione, il progetto dovrebbe adottare componenti di alta qualità quali resistori a strato metallico e condensatori ceramici (NPO) a deriva zero o mica/argento.
Scelta dell'amplificatore operazionale
Per la prestazione AC ottimale, con LTC2380-24 vengono comunemente usati due amplificatori operazionali diversi.
Per attutire una fonte completamente differenziale o convertire un input singolo in una forma differenziale, si consiglia l'uso di LT6203. LT6203 è un amplificatore operazionale doppio a bassa potenza stabile e con guadagno unitario con input e output rail to rail. Presenta un prodotto GBW di 100MHz, una tensione psofometrica ultra bassa di 1,9nV/√Hz e una distorsione armonica inferiore a –80dBc a 1MHz. LT6203 sfrutta solo 2,5mA di corrente d'alimentazione per canale, cosa che lo rende adatto alle applicazioni a bassa potenza.
L'ADC SAR LTC6362 è consigliato per operazioni ad alimentazione singola con un'alimentazione di 5V. Presenta inoltre un ingresso e un'uscita rail to rail, ma è completamente differenziale e ha una densità del rumore di 3,9nV/√Hz, un prodotto GBW di 180MHz e una distorsione di -116dB a 1kHz.
La Figura 4 mostra LTC6362 usato in un'applicazione ad alimentazione singola insieme a LTC6665, un riferimento tensione di precisione a deriva bassa con rumore picco a picco di soli 0,25ppm e un'accuratezza massima di 0,025%. Si prega di notare che la tensione sul pin 2 dell'LTC6362 definisce il livello della tensione in modo comune. Se lasciata fluttuare, un partitore interno del resistore sviluppa una tensione predefinita di 2,5V con un'alimentazione di 5V.
Figura 4: circuito di applicazione dell'alimentazione singola usando LTC6362
Una piattaforma di esplorazione sismica del petrolio può utilizzare 1000 o più sensori, definiti geofoni. Ognuno produce segnali a basso livello in un ambiente rumoroso a frequenze fino a 100kHz. La frequenza elevata di campionamento di LTC2380-24 consente di effettuare il sovracampionamento e l'uso del filtro mediano digitale per l'intervallo dinamico massimo.
Allo stesso modo, applicazioni mediche come imaging a risonanza magnetica, la cromotografia gassosa e le macchine a raggi X digitali richiedono una misura di precisione di segnali a basso livello e prestazioni notevoli da parte dell'intervallo dinamico front-end di acquisizione dati, pertanto LTC2380-24 è la scelta ideale.
Supporto alla progettazione
La valutazione di LTC2380-24 -24 è semplice grazie alla scheda di dimostrazione DC2289, mostrata nella figura 5.
DC2289 mostra una disposizione corretta e una selezione dei dispositivi raccomandati per ottenere la progettazione che offre le migliori prestazioni. La scheda include LT6203 come amplificatore separatore di ingresso per una fonte di segnale completamente differenziale e un filtro passabasso incorporato.
Per dimostrare parametri prestazionali DC come il rumore picco a picco e la linearità DC, DC2289 può collegarsi al controller seriale USB DC590B o alla scheda dimostrativa isolata compatibile con Arduino Linduino One DC2026C. In alternativa, la scheda di raccolta dati DC890B PScope™ può essere usata per dimostrare parametri prestazionali AC come SNR, THD, SINAD e SFDR.
Figura 5: scheda di valutazione DC2289A
LTC offre una vasta gamma di strumenti di acquisizione dati e analisi gratuiti, tra cui il sistema QuikEval per DC590 e il software PScope per DC890. La codebase completa per DC2026, LTSketchbook.zip, può essere scaricata sul sito Web di Power by Linear di Analog Devices. Il pacchetto include il codice demo e le librerie per tutti i dispositivi coperti, tra cui LTC2380-24.
Conclusioni
LTC2380-24 è un convertitore analogico-digitale di precisione pioneristico che combina in modo unico elevata risoluzione e alta velocità.
Presenta un gran numero di caratteristiche che aiutano i progettisti a risolvere i vari problemi e a eseguire le attività in una vasta gamma di campi analogici di precisione come l'acquisizione di dati, l'esplorazione sismica, il settore medico, il controllo del processo industriale e l'ATE.
LTC2380-24, quando abbinato alla suite completa di strumenti di sviluppo di Power by Linear di Analog Devices, aiuta i progettisti a iniziare rapidamente a lavorare sul prossimo progetto di acquisizione dati di precisione.