Guida alla sezione dei convertitori da analogico a digitale (ADC)

Per scegliere il giusto ADC, devi prima considerare quattro fattori critici:

- Risoluzione
- Velocità
- Accuratezza
- Rumore

Una volta valutate le esigenze del progetto in queste aree, è possibile restringere ulteriormente la selezione considerando variabili meno importanti, come ad esempio:

- Tensione in entrata
- Interfaccia
- Numero di canali

Criteri di selezione degli ADC da considerare

Mentre esplori il mondo degli ADC, può essere utile precisare in che modo risoluzione, velocità, accuratezza e rumore influiscono sulla scelta.

Risoluzione: si riferisce al numero di bit di uscita che l'ADC può generare per ogni conversione. Tale valore determina il segnale di ingresso più piccolo che il sistema può rappresentare. La risoluzione definisce anche la più piccola variazione incrementale del segnale analogico che l'ADC può esprimere.

Velocità: ha a che fare con la velocità di campionatura del dispositivo, in altre parole, qual è il maggior numero di conversioni al secondo che l'ADC può gestire? La velocità di campionatura è determinata dal tempo necessario per eseguire una singola conversione. Tale valore determina quanti campioni al secondo sono possibili nel migliore dei casi.

Accuratezza: è relativamente semplice. In che misura l'uscita corrisponde all'ingresso? Quanto dell'uscita è il segnale desiderato? In generale, valutiamo l'accuratezza in termini di rumore presente nel segnale di uscita, utilizzando una misurazione denominata rapporto segnale/rumore (SNR), dove un valore più alto è migliore (più segnale per una data quantità di rumore). Anche in un ADC ideale, sarà presente una certa quantità di rumore in quanto l'arrotondamento deve necessariamente avvenire per digitalizzare un segnale analogico (rumore di quantizzazione, spiegato di seguito). Una risoluzione più alta comporta generalmente maggiore accuratezza, poiché minore è l'errore di arrotondamento, più reale è l'uscita digitale verso l'ingresso analogico.

Rumore di quantizzazione: è uno dei diversi tipi di rumore che contribuiscono all'accuratezza del dispositivo. Questo tipo di rumore merita una menzione a parte perché il rumore di quantizzazione è inevitabile nella conversione analogico/digitale. In poche parole, quando un set continuo si converte in un set discreto, possiamo aspettarci di perdere alcune informazioni. Tali informazioni perse vengono definite rumore di quantizzazione, che si manifesta come un segnale di rumore a dente di sega. Con una risoluzione sufficientemente elevata, è possibile superare il rumore di quantizzazione in modo funzionale, tuttavia rimane una parte integrante del processo ADC.

Panoramica delle architetture ADC comuni

I vari progetti di ADC hanno i propri punti di forza e punti deboli. Di conseguenza, il progetto e il caso d'uso previsto determineranno in larga misura il tipo di ADC che si sceglie di utilizzare. Un'idea chiara di ciò che desideri ottenere dal dispositivo ti aiuterà a dare priorità ai quattro fattori sopra descritti e ti guiderà verso il giusto tipo di architettura ADC.

Le architetture ADC più comuni sono:

- Flash
- Approssimazione successiva (SAR)
- Delta-sigma
- A pipeline

Per un dato tipo di architettura, più alta è la risoluzione di un ADC, più bassa sarà la sua velocità (e viceversa), poiché una risoluzione più alta significa più dati da convertire. Gli ADC a pipeline, tuttavia, rappresentano un metodo alquanto unico: combinano alcune delle migliori qualità degli ADC SAR e di tipo flash, riuscendo a raggiungere sia l'alta velocità che l'alta risoluzione.

Sebbene gli ADC flash sono grandi e costosi, la loro velocità assicura la massima qualità nella conversione della registrazione video da analogica a digitale, un processo che implica la gestione di enormi quantità di dati. I SAR sono molto diffusi nelle applicazioni di acquisizione dati e strumentazione, dove l'altissima velocità è meno critica e l'accuratezza regna sovrana.

L'architettura delta-sigma (uno dei progetti più recenti) può vantare un'accuratezza stupefacente, ma è anche il più lento dei progetti più popolari, il che lo rende adatto ad applicazioni audio ad alta fedeltà. In questi casi, catturare anche piccole sfumature è fondamentale, tuttavia la quantità totale di dati non è eccessiva (rispetto al video, ad esempio). Di conseguenza, i progetti delta-sigma vengono utilizzati principalmente per l'audio digitale e la strumentazione.

Infine, gli ADC a pipeline stanno diventando sempre più popolari grazie alla loro capacità di combinare sia una risoluzione ragionevolmente alta che la velocità. I progetti a pipeline sono essenzialmente una versione più raffinata del SAR e sono adatti a un'ampia gamma di applicazioni, tra cui:

- Imaging medico a ultrasuoni
- Video digitale
- Scenari Internet ad alta velocità come modem via cavo, xDSL e così via

Per quanto riguarda l'accuratezza, essa deriva dalla combinazione di risoluzione e velocità di campionatura. La risoluzione determina la precisione dell'ampiezza e l'errore di arrotondamento (quindi il rumore di quantizzazione e una perdita di accuratezza della linea di base). Allo stesso tempo, la velocità di campionatura determina l'accuratezza e la precisione di fase (più volte al secondo la sorgente viene campionata, più accurata sarà la fase). Un foglio di statistiche ADC indicherà l'accuratezza complessiva e il rumore di quantizzazione specifico nella linea del "rapporto segnale/rumore". Questo valore deve essere il più alto possibile (maggiore potenza del segnale per ogni specifica quantità di rumore).

Altri fattori da considerare

Non dimenticare di considerare gli aspetti pratici. Le diverse unità ADC variano notevolmente per quanto riguarda:

- Dimensioni fisiche
- Numero di possibili input
- Requisiti di alimentazione

Gli ADC flash, ad esempio, non sono adatti ai dispositivi portatili perché i loro numerosi componenti influiscono sulle dimensioni e sulla potenza assorbita. Chiunque intenda costruire un dispositivo portatile dovrebbe probabilmente andare oltre gli ADC flash e prendere in considerazione un modello più adatto a un dispositivo e a un sistema di alimentazione più piccolo. Analogamente, molti ADC consentono solo due ingressi, quindi se la tua applicazione richiede più di due possibili ingressi, puoi risparmiare tempo limitando la ricerca agli ADC multicanale.

Tieni presente che, indipendentemente dall'architettura scelta, la velocità di campionatura minima (chiamata frequenza di Nyquist) deve essere almeno il doppio della frequenza massima dell'ingresso. In base alla frequenza prevista dei dati in ingresso, è importante assicurarsi che la tua velocità di campionatura sia sufficientemente elevata.