Инструментальные АЦП производства TEXAS INSTRUMENTS
В статье рассмотрены современные и новейшие АЦП для точных измерительных устройств и систем управления фирмы Texas Instruments. Перечень выпускаемых преобразователей этого мирового лидера начинается от недорогих АЦП общего применения и заканчивается прецизионными системами сбора данных. Подробно рассматриваются ключевые характеристики дельта-сигма (АЕ) АЦП — наиболее популярного класса преобразователей для обработки аналоговых сигналов с высокой точностью.
В последнее десятилетие аналого-цифровые преобразователи, построенные по принципу дельта-сигма модуляции, завоевали большую популярность у разработчиков. Ряд уникальных свойств позволяет им успешно конкурировать с интегрирующими и АЦП поразрядного уравновешивания на основе регистра последовательных приближений (Successive-Approximation Register или SAR-АЦП). Там, где необходима высокая разрешающая способность системы в диапазоне частот от нуля до нескольких мегагерц, использование АЕ-преобразователей становится более чем оправданным. Главное отличительное свойство АЕ-АЦП — возможность увеличения скорости преобразования за счет разрешающей способности. Есть еще возможность повышения быстродействия и разрешающей способности за счет роста потребляемой мощности. Взаимосвязь этих трех параметров позволяет использовать дельта-сигма преобразователи в самых разных приложениях. В то же время, так как этот класс АЦП работает по принципу избыточной дискретизации с последующей цифровой фильтрацией, имеется возможность снизить требования к фильтру защиты от наложения спектров. Важно и то, что требования к точности компонентов для построения цифровых фильтров гораздо ниже, чем для аналоговых фильтров, что делает АЕ-преобразователи иде-
альным выбором для устройств с низкой стоимостью и высоким разрешением.
В заголовке статьи присутствует слово «инструментальные». Термин «инструментальный» используется для приборов, предназначенных для применения в медицине, промышленных прецизионных измерительных системах. Важнейшими свойствами инструментальных ИС являются линейность и монотонность передаточной характеристики, точность и стабильность параметров, высокое отношение сигнал/шум. Время преобразования (быстродействие) не имеет принципиального значения, но для максимальной частоты дискретизации должна быть гарантия отсутствия пропуска кодов. Разрядность (разрешающая способность) инструментальных
АЦП полностью определяется конкретной сферой применения, но, «в среднем», составляет от 16 до 24 двоичных разрядов. Приборы с разрядностью 12...14 бит уже давно встраиваются в качестве аналоговых интерфейсов в некоторые микроконтроллеры и цифровые процессоры.
Современные ИС инструментальных АЦП реализуются с использованием трех основных архитектур:
• поразрядного уравновешивания (ПУ) на основе регистра последовательных приближений (SAR),
• дельта-сигма (DS) модулятора и управляемого интегратора (dual-slope/multi-slope),
• в редких случаях применяется более дорогое решение на базе параллельно-последовательной (subranging, two-flash, pipeline) архитектуры, поскольку основная «ниша» таких АЦП находится выше по частоте выборки.
Развитие интегральной технологии и цифровой фильтрации привело к тому, что из номенклатуры многих фирм-производителей ИС исчезли
интегрирующие АЦП, — их заменили преобразователи, построенные по дельта-сигма архитектуре. На рисунке 1 показано расположение АЦП, реализованных по различным структурным схемам, в координатах разрешение/частота выборки.
Своим названием дельта-сигма преобразователи обязаны наличием в них двух блоков: дифференциального усилителя (А) и интегратора (Е). Один из принципов, заложенных в таких преобразователях, позволяет уменьшить погрешность, вносимую шумами. При этом возрастает разрешающая способность за счет ус-
реднения результатов измерения на большом интервале времени. Основные узлы АЦП — это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема N-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 2.
|
