هفت مرحله برای تبدیل موفقیت آمیز سیگنال آنالوگ به دیجیتال
نرم افزارهای بسیار دقیق به نرم افزار نهایی انالوگ با نویز کم و طراحی بسیار خوب نیاز دارند تا به بهترین SNR دست یابند، که مستلزم روش اگاهانه برای انتخاب یک ADC است تا به طور کامل و دقیق سیگنال های سنسور را دریافت نماید. اجزای پشتیبان مانند آمپلی فایر عملیاتی درایور و رفرنس ها برای بهینه سازی عملکرد مدار کلی انتخاب شده اند.
سیگنال های دنیای واقعی، مانند ارتعاش، دما، فشار، و نور، به اصلاح صحیح سیگنال و تبدیل سیگنال قبل از پردازش بیشتر داده در ناحیه دیجیتال نیاز دارند. برای غلبه بر بسیاری از چالش ها در نرم افزارهای بسیار دقیق امروزه، نرم افزار آنالوگ کم نویز با طراحی خوب برای رسیدن به بهترین SNR مورد نیاز است. بسیاری از سیستم ها نمی توانند بخش های بسیار گران داشته باشند، همچنین نمی توانند مصرف برق بالای بخش های کم نویز را عهده دار شوند. این مقاله سوالاتی در مورد طراحی یک راه حل کلی با استفاده از روش نویز بهینه شده بیان می کند. این مقاله یک رویکرد روش شناسی برای طراحی یک ترکیب بلوکه بهره و ADC ارائه می دهد، شامل یک مثال که این رویکرد را حمایت می کند. محاسبه نویز و انالیز در این مدار به هنگام اصلاح سیگنال های کم فرکانس انجام شده است.
به هنگام طراحی یک نرم افزار انالوگ این هفت مرحله را انجام دهید:
۱- خروجی الکتریکی سنسور یا بخش ما قبل بلوک بهره را شرح دهید
۲- الزامات ADC را محاسبه کنید
۳- رفرنس ولتاژ ADC + بهینه را برای تبدیل سیگنال پیدا کنید
۴- بهره ماکزیمم را بیابید و معیار جستجو برای آمپلی فایرهای عملیاتی را تعریف کنید.
۵- آمپلی فایر بهینه را بیابید و بلوک بهره را طراحی کنید.
۶- نویز راه حل کلی را در برابر هدف طراحی کنترل کنید.
۷- شبیه سازی را اجرا کنید و اعتبار دهید.
مرحله ۱: خروجی الکتریکی سنسور یا بخش ما قبل بلوک بهره را شرح دهید
سیگنال ها می توانند به طور مستقیم از سنسورها بیایند یا از فیلتر های EMI یا FRI قبل از بلوک بهره عبور کرده باشند. برای طراحی بلوک بهره، نیاز است تا ویژگی های ac و dc سیگنال و منبع برق در دسترس شناسایی شود. دانستن ویژگی سیگنال ها و سطح نویز نشانه هایی در مورد محدوده ولتاژ ورودی و سطوح نویزی که ممکن است به هنگام انتخاب ADC نیاز داشته باشیم فراهم می کند. اجازه دهید فرض کنیم سنسوری داریم که خروجی ان سیگنال ۱۰KHz با دامنه مقیاس کامل ۲۵۰mV p-p (88.2 mV rms) و نویز ۲۵μV می باشد. با این اطلاعات باید بتوانیم نسبت سیگنال به نویز را در ورودی ADC در مرحله ۲ محاسبه کنیم. برای ساده کردن کار با داده ها و کاهش سردرگمی، فرض کنید این راه حل را برای عملیات دمای اتاق طراحی کردیم.
مرحله ۲: الزامات ADC را محاسبه کنید
چه نوع ADC، چه نرخ نمونه، چند بیت، و کدام ویژگی های نویز را احتیاج داریم؟ با دانستن دامنه سیگنال ورودی و اطلاعات نویز از مرحله ۱، می توانیم نسبت سیگنال به نویز (SNR) را در ورودی بلوک بهره محاسبه کنیم. ما نیاز داریم ADC را انتخاب کنیم که نسبت سیگنال به نویز بهتری دارد. دانستن SNR به ما کمک می کند تا تعداد موثر بیت ها (ENOB) را به هنگام انتخاب ADC محاسبه کنیم. این رابطه در معادله زیر نشان داده شده است. هم SNR و هم ENOB همیشه در همه صفحه داده خوب ADC مشخص شده اند. در این مثال، ۸۶٫۸dB SNR و ۱۴٫۲bit ENOB مورد نیاز ما را مجبور می کند تا یک مبدل انالوگ به دیجیتال ۱۶ بیتی را انتخاب کنیم. بعلاوه، معیار Nyquist بیان می کند که نرخ نمونه براری، fs، باید حداقل دو برابر فرکانس ورودی، fin، ماکزیمم باشد، بنابراین ۲۰KSPS ADC کافی خواهد بود.
سپس نیاز داریم تا راه حل کلی با دانسیته نویزی را طراحی کنیم که از ۴۱۶nV/√Hz فراتر نرود . این نویز مدار اصلاح نویز را در ۱/۱۰ نویز ورودی قرار می دهد
شکل۱-زنجیره اصلاح سیگنال نوعی
مرحله ۳: رفرنس ولتاژ + ADC بهینه برای تبدیل سیگنال را بیابید
با در دست داشتن مجموعه ای از معیارهای جستجو، روش های زیادی برای یافتن ADC وجود دارد که می تواند مناسب الزامات باشد. یکی از آسان ترین روش ها برای یافتن ADC 16 بیتی استفاده از بازار جستجو در محل کارخانه می باشد. با وارد کردن تفکیک و نرخ نمونه، تعدادی انتخاب پیشنهاد شده است.
بسیاری از ADCهای ۱۶ بیتی ۱۴٫۵ بیت از ENOB را مشخص می کنند. اگر شما می خواهید عملکرد نویز بهتری داشته باشید، از نمونه برداری اضافی برای افزایش ENOB تا ۱۶ بیت استفاده کنید (n- بیت بهبود از نمونه برداری ۴n بدست امده است). با نمونه برداری اضافی، می توان از ADC با تفکیک کمتر استفاده کرد: یک ADC دوازده بیتی با نمونه برداری اضافه
تا ۲۵۶ (نمونه برداری ۴n ) عملکرد نویز ۱۶ بیت خواهد داشت. برای مثال، این به معنی ADC دوازده بیت با نرخ نمونه (۲۰ kSPS × ۲۵۶)۵٫۱۲۶MHz می باشد. یا یک نمونه برداری اضافی ADC چهارده بیتی با۴n ، یا ۱٫۲۸MSPS ممکن است بهتر باشد. بهرحال این هزینه زیادی دارد مانند AD7685 شانزده بیتی، با نرخ نمونه برداری ۲۵۰kSPS
AD7685 16-bit PulSAR® ADC از لیست انتخاب شده است. این مبدل دارای SNR (نسبت سیگنال به نویز ) ۹۰dB و نرخ نمونه ۲۵۰kSPS است تا الزامات ما را برآورده سازد. رفرنس های ولتاژ ®XFET دقیق ADR421/ADR431 برای استفاده با این ADC پیشنهاد شده اند. محدوده ورودی ۲٫۵v از تشخیص ورودی ما ۲۵۰mV p-p فراتر می رود.
شکل۲- جدول انتخاب ADC نوعی
ورودی رفرنس AD7685 ها، دارای امپدانس ورودی دینامیک است، بنابراین باید با اینداکتانس های پارازیتی حداقل با قراردادن یک خازن جداکننده سرامیکی نزدیک به پین ها و اتصال به مسیرهای گسترده کم امپدانس جدا گردد. یک خازن چیپ سرامیکی ۲۲μF عملکرد بهینه خواهد داشت.
مرحله ۴: بهره ماکزیمم را بیابید و معیار های جستجو برای آمپلی فایرهای عملیاتی را تعریف کنید.
دانستن محدوده ولتاژ ورودی ADC به ما در طراحی بلوک بهره کمک خواهد کرد. برای ماکزیمم کردن محدوده دینامیک خود، نیاز داریم تا بیشترین بهره ممکن با سیگنال ورودی مورد نظر و محدوده ورودی ADC در نظر بگیریم. به این معنی که می توانیم بلوک های بهره خود را طراحی کنیم تا برای مثال بهره ۱۰ داشته باشیم.
گرچه اجرای AD7685 ساده می باشد، امپلی فایر محرک نیاز است که الزامات معینی را براورده سازد. برای مثال، نویز ایجاد شده توسط آمپلی فایر محرک باید تا حد ممکن پایین نگه داشته شود تا SNR و عملکرد نویز انتقالی AD7685 را حفظ نماید، به خاطر داشته باشید که بلوک بهره ، سیگنال و نویز را باهم تقویت می کند. برای نگهداشتن نویز در همان سطح قبل و بعد از بلوک بهره، نیاز داریم تا امپلی فایر و اجزایی را انتخاب کنیم که نویز بسیار کمتری دارند. درایور باید عملکرد THD متناسب با AD7685 داشته باشد و باید مرحله کامل را روی آرایه خازن ADCها در سطح ۱۶ بیتی مستقر نماید (۰٫۰۰۱۵%).
نویزی که از آمپلی فایر می آید می تواند توسط فیلتر خارجی بیشتر فیلتر گردد.
چه مقدار نویز در ورودی آمپلی فایر عملیاتی مورد نیاز است؟ بیاد داشته باشید که نیاز داریم تا یک راه حل کلی طراحی کنیم که دانسیته نویز ان از ۴۱۶nV/rt-Hz فراتر نرود. ما باید یک بلوک بهره ای را طراحی کنیم که کف نویز بسیار کمی دارد، با فاکتور ۱۰ از آنجا که ما با ۱۰ بهره را افزایش می دهیم. این تضمین می کند که نویز امپلی فایر کمتر از کف نویز سنسور می باشد. برای محاسبه حاشیه نویز، می توانیم تقریبا فرض کنیم که نویز در ورودی آمپلی فایر عملیاتی نویز کل آمپلی فایر عملیاتی به اضافه نویز ADC می باشد.
مرحله ۵: بهترین آمپلی فایر را بیابید و بلوک بهره را طراحی کنید.
اولین مرحله انتخاب آمپلی فایر عملیاتی بعد از دانستن پهنای باند سیگنال ورودی انتخاب نوعی است که محصول پهنای باند-بهره قابل قبول (GBWP) دارد و می تواند این سیگنال را با مقدار مینیمم خطاهای ac و dc پردازش کند. برای رسیدن به بهترین محصول پهنای باند-بهره ، پهنای باند سیگنال، بهره نویز، و خطای نویز مورد نیاز است. این عبارت ها در زیر تعریف شده اند. به عنوان یک راهنما، اگر شما بخواهید خطای بهره را زیر % ۱/۰ نگه دارید امپلی فایری را انتخاب کنید که پهنای باند بهره بیشتر از ۱۰۰ برابر BW سیگنال ورودی دارد. بعلاوه، نیاز به امپلی فایری داریم که سریعا مستقر شود و قابلیت اجرای خوبی دارد. بیاد داشته باشید که بودجه نویز ما نیاز دارد که نویز کلی در ورودی امپلی فایر عملیاتی کمتر از ۴۰٫۸nV/√Hz باشد در حالی که ۷٫۹nV/√Hz ADC را مشخص می کند. برای خلاصه کردن معیارهای جستجو برای امپلی فایر عملیاتی: UGBW > 1 MHz ، منبع ۵V واحد، نویز ولتاژ خوب، نویز جریان، و فضاهای THD، خطاهای کم dc تا فضاهای ADC را تخریب نکند.
با استفاده از روش مشابه به جستجوی AD8641 ، ADC برای مثال ما انتخاب شده است. AD8641 کم توان، آمپلی فایرهای ورودی JFET دقیق جریان بایاس ورودی بسیار کم و خروجی ریل-به-ریل را نشان می دهد که می تواند با منبع های ۵ تا V 26 کار کند. فضاهای مرتبط با ان در جدول زیر بیان شده اند. می توانیم امپلی فایرهای عملیاتی را در پیکربندی های بدون تغییر با مقادیر اجزای نشان داده شده در جدول شکل دهیم.
جدول ۱-مقادیر اجزا برای نقشه کامل نشان داده شده در شکل ۳
شکل ۳-نقشه کامل
همه اجزای فعال و انفعالی نویز خود را تولید می کنند، بنابراین مهم است اجزایی انتخاب شود که عملکرد را تخریب نکنند. به عنوان مثال، خریدن یک امپلی فایر عملیاتی کم نویز و احاطه کردن ان با رزیستورهای بزرگ اتلاف است. بیاد داشته باشید که رزیستور ۱kΩ دارای ۴nV نویز می باشد.
همانطور که قبلا ذکر شد، یک فیلتر RC اختیاری می تواند بین ADC و این بلوک بهره استفاده شود که باید به محدود کردن BW و بهبود SNR کمک نماید.
مرحله ۶: نویز راه حل کلی را در برابر اهداف طراحی خود کنترل کنید
بسیار مهم است که درک خوبی از منابع خطا در طراحی مدار داشته باشیم. برای رسیدن به بهترین SNR ، نیاز داریم معادله نویز کلی را برای راه حل فوق بنویسیم. که در معادله زیر نشان داده شده است.
ما نویز کلی را در ورودی آمپلی فایر عملیاتی محاسبه کرده و مطمئن می شویم همانطور که برنامه ریزی کردیم کمتر از ۴۱٫۶nV/√Hz می باشد.
برای جمع کردن نویز کل در تمام پهنای باند، می توانیم ببینیم که نویز کل در ورودی ADC در پهنای باند فیلترها ۳٫۰۵μV می باشد، که کمتر از ۴٫۱۶μV الزامات طراحی ما می باشد. نویز کم فرکانس (f/1) در این مورد نادیده گرفته شده که فرکانس گوشه AD8641 زیر ۱۰۰Hz می باشد.
حفط یک نسبت سیگنال به نویز خوب نیاز به توجه به نویز هر یک از اجزا در مسیر سیگنال و طراحی خوب PCB دارد. از اجرای خطوط دیجیتال تحت هر ADC دوری کنید زیرا این نویزهای جفت شده از بین می روند مگر اینکه صفحه مسطح زیر ADC به عنوان شیلد استفاده شده باشد. سیگنال های سوئیچ کننده سریع، مانند CNV یا ساعت ها، نباید هرگز نزدیک مسیرهای سیگنال انالوگ اجرا شوند. باید از تقاطع سیگنال های انالوگ و دیجیتال دوری شود.
مرحله ۷: شبیه ساز یرا اجرا کنید و اعتبار دهید
استفاده از ماکرو مدل های PSpice ، قابل دانلود از سایت ADI، می تواند نقطه شروع خوبی برای اعتباردهی طراحی مدار باشد. شبیه سازی سریع پهنای باند سیگنالی را نشان می دهد که ما راه حل خود را برای ان طراحی کرده ایم. شکل ۴ پاسخ قبل و بعد از فیلتر RC اختیاری در ورودی AD7685 را نشان می دهد.
شکل ۴- شبیه سازی پهنای باند مدار شکل ۳
همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده، نویز خروجی کل پهنای باند ۱۰kHz نزدیک به ۳۱μV rms می باشد. این کمتر از هدف طراحی ۴۱μV rms است.
نیاز است که نمونه های میز ساخته شود، و کل راه حل باید قبل از تولید کامل اعتبارسنجی گردد.
شکل ۵-شبیه سازی برای پاسخ نویز مدار شکل ۳
خلاصه
با طرح های کم مصرف و کم هزینه امروزی، بسیاری از سیستم ها نمی توانند بخش های پرهزینه داشته باشند، و نمی توانند مصرف برق بالای بخش های کم هزینه را عهده ار شوند. برای رسیدن به کمترین کف نویز و بهترین عملکرد از مدار اصلاح سیگنال، طراحان باید منابع نویز سطح اجزا را درک کنند. حفظ نسبت خوب سیگنال به نویز به توجه به نویز هر جز در مسیر سیگنال نیاز دارد. با انجام مراحل فوق، می توان با موفقیت سیگنال آنالوگ کوچک را تصحیح کرد و ان را با استفاده از ADC با تفکیک بسیار بالا تبدیل کرد.
منبع : www.analog.com
تهیه و تنظیم ترجمه: تیم mculibrary.ir
دیدگاه‌ها (0)