ADC Dönüştürücü (Analog-Dijital Dönüştürücü) Nedir?

Bu makalede, günümüzde kullanılan başlıca A / D dönüştürücülerini (ADC’ler) gözden geçireceğiz ve her birini şunları yapacak kadar ayrıntılı olarak açıklayacağız:

  • Her bir ADC türünün temel teknolojisine bakın
  • Temel ADC özellikleri ve özellikleri hakkında bilgi edinin
  • Günümüz uygulamaları için hangi ADC türlerinin en iyi sonucu verdiğini anlayın
  • Öğrenin Dewesoft seçilmiş olan iki ana ADC tiplerini ve neden

A / D Dönüştürücü (ADC) nedir?

Analog-Dijital Dönüştürücü (ADC)  modern veri toplama sistemlerinin (DAQ veya DAS sistemleri) temel yapı taşlarından biridir.  Bu sistemler aşağıdaki temel bileşenlerden oluşur:

A / D Dönüştürücüler Ne Yapar?

Bir veri toplama sistemi içindeki A / D dönüştürücülerin temel amacı, koşullu analog sinyallerini bir dijital veri akışına dönüştürmektir, böylece veri toplama sistemi bunları görüntüleme, depolama ve analiz için işleyebilir. ADC dönüştürücü bir analog sinyal alır ve dijital alana dönüştürür Ana A / D Dönüştürücü Türleri Bugün gerçekten beş ana tip ADC olmasına rağmen, modern DAQ dünyasında, bunlardan ikisine düşüyor:
  • ardışık yaklaşım ve
  • delta-sigma.
Diğer tipler gayet iyi ancak DAQ dışı uygulamalar için daha uygundur. Örneğin, çift ​​eğimli ADC’ler oldukça yavaştır ve bu nedenle çoğunlukla el tipi voltmetrelerde bulunur. Bir veri toplama sistemi içindeki A / D dönüştürücülerin temel amacı, koşullu analog sinyallerini bir dijital veri akışına dönüştürmektir, böylece veri toplama sistemi bunları görüntüleme, depolama ve analiz için işleyebilir. ADC dönüştürücü bir analog sinyal alır ve dijital alana dönüştürür Ana A / D Dönüştürücü Türleri Bugün gerçekten beş ana tip ADC olmasına rağmen, modern DAQ dünyasında, bunlardan ikisine düşüyor:
  • ardışık yaklaşım ve
  • delta-sigma.
Diğer tipler gayet iyi ancak DAQ dışı uygulamalar için daha uygundur. Örneğin, çift ​​eğimli ADC’ler oldukça yavaştır ve bu nedenle çoğunlukla el tipi voltmetrelerde bulunur. Ve son derece yüksek örnekleme hızları sunan ancak DAQ uygulamaları için çok düşük olan genlik ekseni çözünürlüğü sunan flash ADC’ler var. Pipeline (boruhattı) dönüştürücü ADC’ler, genlik ekseni çözünürlüğünü artırmak için birden çok flaş dönüştürücü kullanan bir yaklaşımdır, ancak yine de bu alanda sınırlıdır.

Başlıca ADC Tiplerinin Karşılaştırılması

Böylece DAQ dünyası SAR (ardışık yaklaşım) ADC’lerine ve delta-sigma (ΔΣ) ADC’lerine yerleşti . Her birinin kendi avantajları ve dezavantajları vardır ve bu nedenle belirli uygulamalar için uygundur. Her bir ADC’nin nasıl çalıştığına bakalım ve bunları karşılaştıralım:

Ardışık Yaklaşık ADC'ler (SAR)

DAQ dünyasının “ekmek ve tereyağı” ADC’si SAR analog-dijital dönüştürücüsüdür . Mükemmel bir hız ve çözünürlük dengesi sunar ve mükemmel doğrulukla çok çeşitli sinyalleri işler. Uzun zamandır piyasada, bu yüzden SAR tasarımları istikrarlı ve güvenilir ve çipler nispeten ucuzdur. Hem tek bir ADC yongasının birden çok giriş kanalı (çoğaltışmış A / D kartları) tarafından “paylaşıldığı” düşük uç A / D kartları için veya her bir giriş kanalının gerçek eşzamanlı örnekleme için kendi ADC’sine sahip olduğu yapılandırmalarda yapılandırılabilirler.

Çoğu ADC’nin analog girişi 5V’dur, bu nedenle neredeyse tüm sinyal koşullandırma ön uçları aynı olan koşullu bir çıkış sağlar. Tipik SAR ADC, sinyal koşullandırma ön ucundan koşullu analog voltajı alan bir örnekle ve tut devresi kullanır.

Yerleşik bir DAC, numunenin dijital kod çıkışına eşit bir analog referans voltajı oluşturur ve bir devreyi tutar. Bunların her ikisi de SAR ile karşılaştırmanın sonucunu gönderen bir karşılaştırıcıya beslenir. Bu işlem, “n”, gerçek sinyale en yakın değer bulunana kadar ADC’nin bit çözünürlüğü olmak üzere art arda devam eder.

SAR ADC’lerde doğal bir kenar yumuşatma filtresi (AAF) yoktur , bu nedenle DAQ sistemi tarafından ADC’den önce eklenmedikçe, mühendis örnek hızının çok düşüğünü seçerse, yanlış sinyaller (diğer adla “alias”) sayısallaştırılır SAR ADC tarafından. Aliasing özellikle sorunludur, çünkü sayısallaştırmadan sonra düzeltilmesi imkansızdır.

Yazılım ile düzeltmenin bir yolu yoktur. Tüm giriş sinyallerinin Nyquist frekansından daima daha hızlı örnekleme veya ADC öncesi ve içindeki sinyalleri filtreleyerek önlenmelidir.

Daha fazla ayrıntı için aşağıdaki alias ve Örnekleme Tehlikesi bölümüne bakın

SAR ADC’leri günümüzde kullanılan birçok DAQ sistemi için sağlam bir seçimdir. Bunlar, bir ADC ile birden fazla kanalın örneklendiği çok katlı bir şekilde kullanılabileceğinden, piyasanın alt ucunda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, hızları ve iyi genlik ekseni çözünürlükleri nedeniyle pazarın ortasında da yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

Sınırlı genlik ekseni çözünürlükleri nedeniyle, gürültü, ses, şok ve titreşim, dengeleme, sinüs işleme vb. Gibi yüksek dinamik uygulamalar için uygun değildirler. Bu uygulamalar için mühendisler tartışıldığı gibi delta-sigma ADC’lere yönelmelidir. sonraki bölümde.

Delta-sigma ADC'ler (ΔΣ)

Daha yeni bir ADC tasarımı, genlik ekseni çözünürlüğünü iyileştirmek ve SAR tasarımlarında bulunan yüksek frekanslı niceleme gürültüsünü azaltmak için DSP teknolojisinden yararlanan delta-sigma ADC’dir.

Delta-sigma ADC’lerin karmaşık ve güçlü tasarımı, onları mümkün olduğunca çok genlik ekseni çözünürlüğü gerektiren dinamik uygulamalar için ideal hale getirir. Bu nedenle, ses, ses ve titreşim ve çok çeşitli üst düzey veri toplama uygulamalarında yaygın olarak bulunurlar.

Tipik Delta-Sigma ADC blok şeması

Bir DSP’ye uygulanan low-pass filtre , neredeyse nicelleştirme gürültüsünü ortadan kaldırır ve mükemmel sinyal-gürültü performansı sağlar.
Bu yongaların veri toplama uygulamaları için uygulanması genellikle ön uç kenar yumuşatma filtrelemesi (AAF) üzerinde yoğun bir konsantrasyon içerir , bu da yanlış sinyallerin sayısallaştırılmasını neredeyse imkansız hale getirir.
Mümkün olan en yüksek örnekleme hızının Nyquist’ine analog ön uçta ve daha sonra seçilen örnekleme hızına göre DSP üzerinden dinamik olarak entegre edildiğinde, bu ADC’lerin AAF performansı mükemmeldir.

Çift Delta-sigma ADC'ler - DualCoreADC®

Dewesoft ayrıca her bir giriş kanalında ikisini birleştirerek bu ADC’lerden faydalanmıştır. Bir ADC düşük bir kazanca, diğeri daha yüksek bir kazanca ayarlanmıştır. Her iki ADC de sinyali aynı anda izler ve özel bir devre, bunları gerçek zamanlı olarak karşılaştırır ve herhangi bir zamanda en iyi sinyal-gürültü oranına sahip olanı kullanır ve paralel dijital sinyalleri kesintisiz tek bir akışla birleştirir. büyük ölçüde geliştirilmiş dinamik aralık.

Dewesoft’un DualCoreADC diyagramı

Bu teknik, tek bir ADC ile ulaşılması imkansız olan dinamik aralığı büyük ölçüde artırır. Dinamik aralığı 160 dB’ye kadar artırır. Dewesoft, piyasada DualCoreADC olarak adlandırılan bu teknolojinin patentini aldı.

Çoğu termokupl gibi çok yavaş sinyallerle bile, mümkün olan en büyük genlik ekseni çözünürlüğünün, bu delta-sigma ADC’leri SAR ADC’lere tercih edilebilir hale getirdiğini belirtmek ilginçtir.

1500 ° aralıkta ölçüm yapabilen bir termokupl düşünün – ADC’de ne kadar genlik ekseniniz varsa, sıcaklık sinyalinin çözünürlüğü o kadar artar. Her bir bitin dikey eksen çözünürlüğünü etkili bir şekilde iki katına çıkardığını unutmayın.

Hangisi Daha İyi? SAR veya Delta-Sigma?

Her ADC teknolojisinin yeri vardır. Ve uygulamalar çok farklı olduğu için, birinin genel olarak diğerinden daha iyi olduğunu söylemek imkansızdır. Bununla birlikte, bugünün uygulama gereksinimlerinin biri veya daha fazlası açısından bunlardan birinin diğerinden daha iyi olduğunu söylemek kesinlikle mümkündür:

İş İçin Doğru Araç

Dewesoft, 24 bit sigma-delta ADC’leri kullanmakla ünlü olmasına ve DualCoreADC teknolojisiyle büyük ölçüde yenilik yapmasına rağmen, SIRIUS DAQ sistemleri ürün serisinde 1 MS / s maksimum örnekleme hızı elde etmek için 16 bit SAR ADC’leri de kullanıyorlar.

Bunlar, bu hat içinde bulunan SIRIUS HS (yüksek hızlı) sinyal koşullayıcılardır. Standart ve HD serisi sinyal koşullayıcılar 24 bit sigma-delta ADC kartları kullanır.

SIRIUS HS sinyal koşullayıcılar , 5. dereceden 100 kHz kenar yumuşatma filtresi şeklinde güçlü AAF filtreleme uygular . Dijital alanda, 8. sıraya kadar Bessel, Butterworth (veya bypass) arasında seçilebilen ek bir filtre var.

Dewesoft’un tüm 24 bit ADC sinyal koşullayıcılarına güçlü kenar yumuşatma filtresi yerleştirilmiştir.

Kanal Başına Çoğullamalı veya Tekli ADC

Veri kaydediciler veya endüstriyel kontrol sistemleri gibi alt uç DAQ sistemlerinde, çoğullamalı A / D kartları kullanılır, çünkü giriş kanalı başına ayrı bir ADC çipine sahip A / D kartlarından daha ucuzdurlar.

Çoğullamalı bir ADC sisteminde , çoklu sinyalleri analogdan dijital alana dönüştürmek için tek bir analog-dijital dönüştürücü kullanılır. Bu, analog sinyallerin ADC’ye birer birer çoğullanmasıyla yapılır.

Bu daha düşük maliyetli bir yaklaşımdır, ancak zaman eksenindeki sinyallerin tam olarak hizalanması mümkün değildir, çünkü aynı anda sadece bir sinyal dönüştürülebilir. Bu nedenle, kanallar arasında her zaman bir çarpıklık vardır. Belirli bir uygulamada küçük bir çarpıklık hatası önemsizse, mutlaka kötü bir şey değildir. Aynı şey sistemde kullanılan analog cihazlar için de geçerlidir – form, uyum, işlev açısından uygulama için en uygun olanı seçmek ve eskimekten kaçınmak itici faktörlerdir.

Ayrıca, maksimum örnekleme hızı her zaman örneklenen kanal sayısına bölüneceğinden, yalnızca bir veya birkaç kanalın örneklendiği durumlar dışında, kanal başına en yüksek örnekleme hızı çoğullamalı sistemlerde genellikle daha düşüktür.

Günümüzün veri toplama sistemlerinde, çoğullamalı ADC sistemleri öncelikle maliyetin hassasiyet veya hızdan daha önemli olduğu düşük kaliteli DAQ sistemleri tarafından kullanılmaktadır.

Örnekleme Oranı nedir?

Sinyallerin dönüştürülme hızına örnekleme hızı denir . Çoğu sıcaklık ölçümü gibi bazı uygulamalar, sinyaller çok hızlı değişmediği için yüksek bir hız gerektirmez.

Bununla birlikte, AC gerilimleri ve akımları, şok ve titreşim ve diğer birçok uygulama, saniyede on veya yüz binlerce örnekteki örnekleme hızlarını gerektirir. Örnekleme hızı genellikle T (veya X) ölçüm ekseni olarak adlandırılır.

A / D dönüştürücü tarafından örneklenen analog sinyal

Dewesoft, burada gösterildiği gibi maksimum örnekleme hızlarına sahip DAQ sistemleri sunmaktadır :

Örtüşme ve Örnekleme Tehlikesi

Sinyallerinizi ve olası en yüksek frekanslarını anlamak, doğru ölçümler almanın önemli bir parçasıdır. Örneğin, bir ivmeölçerin çıktısını ölçmek istediğimizi varsayalım. 

Maksimum 100 Hz frekanslı titreşimler yaşamasını beklersek, örnek hızını en az iki katına (Nyquist frekansı) ayarlamalıyız, ancak pratikte, yüksek kaliteli bir temsili elde etmek için on kat fazla örnekleme daha iyidir sinyal şekli. Bu örnekte, örnek hızını 1000 Hz olarak ayarladık ve ölçümü yapıyoruz.

Teorik olarak, her şey iyi olmalı, ancak sinyalin frekansta önemli bir yükseklikte gerçekten daha fazla gitmediğini nasıl bilebiliriz? 

Eğer öyleyse, sistemimiz sinyali doğru bir şekilde ölçmez veya dönüştürmez. Ve aslında, eğer bu aşırı bir noktaya götürülürse, ölçülen değerler tamamen yanlış bile olabilir.

Alias’ı anlamak için, kameranın saniyede 24 kare hızla vagon olarak çekildiği eski bir filmi izleyin – çeşitli hızlarda tekerlekler geriye doğru dönüyor ya da hiç hareket etmiyor gibi görünebilir.

Bu, tekerleğin dönme frekansı ile kameranın fotoğraf çekme hızı arasındaki harmonik ilişkinin neden olduğu bir tür stroboskopik görsel efekttir. Belki de bir kameranın deklanşör hızının bir helikopterin bıçaklarıyla senkronize edildiği, helikopterin havada asılı kaldığı, bıçakların hiç hareket etmediği videolar gördünüz.

Bir film veya eğlenceli bir video söz konusu olduğunda önemli değil, ancak bilimsel bir ölçüm yaparken, bir arabanın tekerleklerinin geriye doğru döndüğüne veya bir helikopterin bıçaklarının hareket etmediğine inanırsak, aslında oldukça hızlı gidiyor, gerçek dünya ölçüm problemimiz var.

Gerilim sinyallerinin ADC ile sayısallaştırılması açısından, numune hızının uygun şekilde ayarlanması önemlidir. Çok yüksek ayarlarsak, işleme gücünü boşa harcar ve gereksiz yere büyük ve hantal olan veri dosyaları buluruz. Ama çok düşük yaparsak, iki sorunumuz olabilir:

  • Hayati dinamik sinyal bileşenleri eksik
  • Yanlış (“alias”) sinyallerle sonlandırma (sistemde kenar yumuşatma filtresi yoksa)

Orijinal sinyale kıyasla çok seyrek örnekleme nedeniyle siyah renkte yanlış bir sinyalin (alias) gösterilmesi.

Örtüşme Önleme

Dewesoft ürünleri, içinde örtüşme önleme filtreleri (AAF) bulunan 24 bit ADC’leri kullanarak diğer adların oluşmasını önler. Bu filtreler , seçilen örnekleme hızının Nyquist frekansına (genellikle yaklaşık % 40) otomatik olarak ayarlanan bir aşama dahil olmak üzere birkaç aşamada çalışır . Dolayısıyla, çok düşük bir örnekleme hızı seçseniz bile, yanlış veya “alias” sinyalleri ölçümü bozamaz.

Bit Çözünürlüğü Nedir ve Neden Önemlidir?

Veri alımının ilk günlerinde, 8 bitlik ADC’ler yaygındı. Bu yazı itibariyle, DAQ sistemleri dünyasında, 24 bit ADC’ler dinamik ölçümler yapmak için tasarlanmış çoğu veri toplama sistemi arasında standarttır ve 16 bit ADC’ler genel olarak sinyaller için minimum çözünürlük olarak kabul edilir. 12-bit ADC kullanan bazı düşük-uç sistemler vardır.

Her çözünürlük biti olası çözünürlüğü etkili bir şekilde iki katına çıkardığından, 24 bit ADC’li sistemler 2 ^ 24 = 16,777,216 sağlar. Böylece, gelen bir voltluk sinyal Y ekseni üzerinde 16 milyondan fazla adıma ayrılabilir. 

24 bitlik bir ADC için 16.777.216 adım, 16 bitlik bir ADC’nin maksimum teorik 65.656 adımından önemli ölçüde daha iyidir . Bu nedenle, dalga şekillerinin görünümü buna göre daha hassastır ve çok daha fazla hassasiyete sahiptir. Bu, zaman ekseni için de geçerlidir.

24 bit çözünürlük (kırmızı) ve 16 bit çözünürlük (gri)

DualCoreADC® Teknolojisi ve Neden Önemli?

Genlik ekseninde, mühendislerin yıllarca karşılaştığı bir zorluk dinamik aralıktır. Örneğin: Ya genellikle 5 volttan daha az bir sinyale sahipsek, ancak bazen dramatik bir şekilde yukarı doğru değişebilirse? ADC’nin çözünürlüğünü 0-5V verilerini alacak şekilde ayarlarsak, sinyal bundan sonra yükseldiğinde sistem tamamen aşırı yüklenir. 

Bir çözüm, farklı kazançlara ayarlanmış iki kanal kullanmak ve bunlardan birine 0-5V verileri için diğerine ise daha yüksek genlik verileri için başvurmak olacaktır. Ancak bu çok verimsizdir – her giriş sinyali için muhtemelen iki kanal kullanamayız – aynı işi yapmak için iki kat daha fazla DAQ sistemine ihtiyacımız olurdu. Ayrıca, her testten sonra veri analizini çok daha karmaşık ve zaman alıcı hale getirecektir. 

Dewesoft’un DualCoreADC® teknolojisi, kanal başına iki ayrı 24 bit ADC kullanarak ve bunlar arasında gerçek zamanlı olarak otomatik olarak geçiş yaparak ve tek, kesintisiz bir kanal oluşturarak bu sorunu çözer. Bu iki ADC her zaman giriş sinyalinin yüksek ve düşük kazancını ölçer. Bu, sensörün tüm olası ölçüm aralığına neden olur ve sinyalin kırpılmasını önler.

Özet

Hangi ADC teknolojisinin kullanılacağı seçimi her zaman uygulama gereksinimlerine dayanmalıdır. Öncelikle statik ve yarı statik (yavaş) sinyalleri ölçüyorsanız, elbette süper yüksek hızlı bir sisteme ihtiyacınız yoktur, ancak muhtemelen mümkün olduğunca çok genlik eksen çözünürlüğüne sahip bir tane istiyorsunuz. 

Endüstride kullanılan sabit sistemler genellikle çok fazla değişmeyen gereksinimlere sahiptir ve genellikle bir sistem seçmek daha kolaydır.

Bununla birlikte, günlük DAQ sistemleri için, bu sistemler zaman içinde çeşitli uygulamalarda kullanıldığından biraz daha zordur. Anahtar, en iyi genel performansa ve gürültüye, örtüşme ve eskimeye karşı korumaya sahip olanı seçmektir.