Джерри Хорн

    Не доводилось ли вам когда-нибудь слышать об инженере, искавшем 32-разрядный АЦП для сопряжения его с 32-разрядным микроконтроллером? Или об аспиранте, ищущем 16-разрядный АЦП на 100 МГц для только что смоделированного им проекта? Данная статья призвана ответить на основную массу вопросов, возникающих при попытках инженеров получить высокую разрядность преобразования при максимальной частоте преобразования.

    На рисунке показана приблизительная оценка реализуемости требуемой разрядности в зависимости от нужной скорости преобразования. Заметим, что в первом приближении можно принять частоту дискретизации, равную полосе пропускания сигнала. В идеальном случае, полоса пропускания аналогового входного сигнала, подаваемого на вход АЦП, была бы ограничена половиной частоты дискретизации. К сожалению, реальные устройства имеют полосу пропускания, превышающую половину частоты дискретизации, например, источники собственного шума вообше не будут привязаны к этому значению, то есть шумовая полоса устройства не будет ограничена половиной частоты дискретизации, в то время как полоса сигнала должна быть ограничена обязательно.

Рисунок. Трудность реализации требуемой разрядности АЦП в зависимости от нужной частоты преобразования

    Кроме того, следует обратить внимание на то, что полоса пропускания сигнала может, теоретически, находиться на любом участке частот, лишь бы верхняя его граница не превышала частоту дискретизации (по грубой оценке). То есть полоса пропускания в 1 Гц может быть оцифрована с равной разрешающей способностью как в окрестности частоты 0,5 Гц, так и 1 или 100 МГц. На практике в силу вступают физические ограничения, но всегда следует иметь в виду, что главной характеристикой сигнала остаётся именно полоса пропускания, а не конкретная частота.

    На графике по оси Y откладывается разрядность преобразования АЦП в эффективном количестве бит (ENOB), что подразумевает некоторую “среднюю” разрядность преобразования. Например, конвертер мог бы обеспечить 16-разрядный результат, но сигнал постоянного уровня может быть показан несколькими разными кодами, то есть реально в среднем для любого однократного преобразования разрядность преобразования составит от 14 до 15 бит.

    На рисунке величина ENOB рассчитывается без учёта искажений, добавляемых самим АЦП к аналоговому входному сигналу. Например, если для АЦП определено отношение сигнал/шум (SNR), то значение ENOB рассчитывается из уравнения:

ENOB = (SNR - 1,76)/6,02 ,

    где величина SNR берется в дБ. Если отношение сигнал/шум в спецификациях на ЦАП не задано, его можно получить из среднеквадратичного значения шумов.

    Значение ENOB также может быть рассчитано из отношения сигнал/шум+искажения (SINAD). Этот параметр может быть полезен для многих изделий, особенно работающих в радиочастотной области, например, программируемые радиоприёмники или анализаторы спектра. Однако, на рисунке сделана попытка представить наиболее общее сравнение широкого разнообразия аналого-цифровых преобразователей, так как низкочастотные АЦП редко включают технические требования на искажения.

    В верхнем левом углу рисунка представлена область, которую довольно легко реализовать. По мере увеличения разрядности преобразования и/или увеличения частоты дискретизации реализация АЦП затрудняется, а в некоторой точке становится вообще невозможной.

    На графике имеется некоторая область в окрестности кривой, обозначенной буквами SK, где для правильного выбора АЦП необходимо уточнение некоторых спецификаций.

    Например, при проектировании ряда систем с низкой частотой преобразования и большой разрядностью (например, биомедицинского оборудования) кабели, соединяющие датчики и АЦП должны обладать низким трибоэлектрическим эффектом, так как шумы, возникающие при их перемещении или изгибе, могут во много раз превышать полезный сигнал, вызывая ограничение его по амплитуде в усилительных каскадах на входе АЦП или снижение уровня их усиления.

    При проектировании высокоскоростных систем, особенно при частотах дискретизации свыше 100 МГц, необходима дополнительная информация о том, как будет обеспечиваться передача и хранение потоков данных, следующих с такой скоростью. Разработчик должен иметь представление о топологии платы такой быстродействующей системы, условиях поддержания искажённой передачи сигналов, конструкции соединителей и т. д.

    Заштрихованная область с названием “сложно” соответствует большинству высококачественных дискретных АЦП, предлагаемых известными производителями микросхем обработки смешанных сигналов. Не за-штрихованная область в левом верхнем углу графика относится к дешёвым микросхемам АЦП или большим цифровым интегральным схемам со встроенными АЦП, например, микроконтроллерам. Область в правом нижнем углу нереализуема для большинства практических целей, за исключением уникальных изделий, в которых нет ограничений на стоимость.

    Разумеется, со временем “сложная” область на графике будет сдвигаться вправо и вниз, то есть производительность АЦП будет повышаться. Эта тенденция аналогична ситуации с цифровыми микросхемами, здесь также работает закон Мура, который гласит, что прирост динамического диапазона интегральных схем для обработки смешанных сигналов составляет в среднем 2 дБ в год, а прирост разрядности — 1 бит в три года. Отметим, что прогноз этот выглядит весьма обнадёживающим.

    Наклон границы областей реализуемости, показанных на рисунке, несколько отличается от теоретического. Это связано с тем, что при его составлении автор опирался на собственный богатый опыт работы с АЦП, а величина ENOB считалась для большого количества АЦП различных производителей. Теоретически наклон границы должен быть несколько меньшим, чем показано. Например, на графике наклон составляет 2 бита на декаду по частоте, в то время как теоретически с учётом ширины шумовой полосы он составляет не более 1,7 бит на декаду.

    Некоторое несоответствие происходит из не совсем честного сравнения различных АЦП. Быстродействующие преобразователи, как правило, имеют более широкую относительную полосу пропускания, чем низкоскоростные устройства, так как они исполь-зуются в так называемых субдискретизирующих приложениях. С другой стороны, дельта-сигма АЦП звукового диапазона имеют строго определённую полосу пропускания, равную половине частоты дискретизации, обеспечиваемую встроенными цифровыми фильтрами. Из-за этого они постепенно приближаются к границе “невозможной” области, а иногда и внедряются в неё. Помимо этого имеются ещё и конвертеры с очень большой разрядностью, применяемые для измерений постоянных напряжений, входная полоса пропускания которых много меньше частоты дискретизации.

    При разработке систем общего назначения инженеру следует держаться подальше от “невозможной” области. Однако, имеется огромная масса систем, требующих АЦП именно из этой области, например, программируемые радиоприёмники и быстродействующие Internet-устройства.

    Основные усилия производителей в настоящее время сосредоточены на разработке АЦП именно для этих отраслей. При выборе изделия следует ориентироваться на улучшенный динамический диапазон и более высокую частоту дискретизации, а также повышенную степень интеграции устройств для обработки смешанных сигналов. Новые изделия будут тянуть свои характеристики вглубь “невозможной” области или снижать стоимость уже существующих дорогостоящих изделий из “сложной” области.

    С другой стороны, не стоит верить маркетинговым заявлениям вроде “24 бит, 96 кГц — АЦП для аудиоприложений”. На самом деле устройства имеют разрешение 18 или 19 бит, в лучшем случае. Однако, даже эти значения выглядят сегодня весьма привлекательными, хотя казались вообще недостижимыми несколько лет назад. По самым грубым оценкам, 24-разрядное разрешение на такой скорости будет достигнуто лет через 20. А дальше назревает вопрос: “А где предел?”

    Не следует забывать о естественном пределе, определяемым тепловым шумом и другими шумовыми источниками. Тем не менее, для случайных шумовых процессов имеются теоретические методы их подавления, использование которых потребовало бы изменить сложившийся подход к проектированию АЦП.

    Общей рекомендацией является следующая фраза: “Если все существующие АЦП вам не подходят, подождите немного, и они обязательно появятся!”

Перевод Ю. Потапова
По материалам
информационной службы ChipCenter