Аналого-цифрові перетворювачі:

• Аналого-цифровые преобразователи Analog Devices
• Аналого-цифровые преобразователи Texas Instruments
• Аналого-цифровые преобразователи Microchip Technology

СІГМА-ДЕЛЬТА АЦП

Дані АЦП є сучасною альтернативою АЦП інтегруючого типу, від яких вони успадкували відмінну стійкість до низькочастотного електричного шуму, що дуже важливо для багатьох промислових застосувань.. Однак властива багатьом сигма-дельта АЦП невисока швидкодія, яка в принципі допустима у багатьох промислових вимірювальних пристроях, із запасом компенсується високою роздільною здатністю та високою лінійністю передавальної характеристики. Компанія TI пропонує сигма-дельта АЦП з роздільною здатністю від 12 до 31 біт. Загальні технічні характеристики деяких сигма-дельта АЦП TI представлені у таблиці 1. Типовими областями їх застосування є контрольно-вимірювальне обладнання низької та середньої швидкодії, цифрові аудіосистеми, модулі аналогового введення промислових контролерів, системи збору даних..

1. «Н» вказує на те, що наведена кількість каналів є несиметричними, а «Д» – що диференціальними. «ОП» відзначає підтримку функції одночасного перетворення кількох каналів. 
2. «PGA» вказує на наявність у вхідному каскаді АЦП програмованого підсилювача. У дужках вказаний діапазон програмування коефіцієнта посилення.

Крім роздільної здатності АЦП відрізняються швидкодією перетворення, кількістю вхідних каналів та їх електричними характеристиками, інтерфейсами управління та виведення результату перетворення, логікою управління перетвореннями, типом корпусу та іншими особливостями. Більшість багатоканальних мультиплексованих АЦП можуть працювати у несиметричному чи диференціальному режимі входів, що підвищує гнучкість їх застосування. Наприклад 24-бітний АЦП ADS1258 оснащений мультиплексором, який дозволяє підключити до входу АЦП або 8 диференціальних або 16 несиметричних сигналів. До складу деяких АЦП, як, наприклад, ADS1282, входить програмований підсилювач (PGA). Наявність PGA дозволяє суттєво розширити динамічний діапазон АЦП, уможливлюючи пряме оцифрування слабких сигналів, наприклад, температури термопар, що часто застосовуються в промислових системах контролю. Максимальну гнучкість конфігурації входів представляють оснащені PGA багатоканальні АЦП.Такі АЦП дозволяють програмно налаштувати вхідний діапазон для кожного каналу і, за рахунок цього, безпосередньо підключитися до різноманітних джерел сигналів.Серед представлених у таблиці 1 АЦП є два перетворювачі, які підтримують одночасне перетворення каналів. Йдеться про ADS1274 та ADS1278. У них замість мультиплексування каналів передбачені окремі дельта-сигма модулятори та фільтри в кожному каналі, тобто, по суті, вони інтегрують в одному корпусі кілька АЦП із загальним інтерфейсом управління та виведення даних.

Що стосується інтерфейсу виведення даних, то користувачу доступні всі найбільш популярні послідовні інтерфейси: від найпростішого, на кшталт зсувного регістру, до більш розвинених інтерфейсів SPI та I2C. Деякі АЦП, у тому числі орієнтовані на цифрові аудіозастосування (наприклад, ADS1274/8), на додаток до SPI підтримують опціональний протокол FRAME SYNC (FSYNC).

При спільній роботі АЦП з мікроконтролером (МК) наявність послідовного інтерфейсу дозволяє щонайменше витрачати лінії введення-виведення МК. Проте бувають ситуації, коли бюджет вільних ліній введення-виведення жорстко обмежений. У разі може допомогти наявність в деяких АЦП порту розширення ввода-вывода. До таких АЦП ставляться ADS1255/56/58.

Розглянемо можливості одного з представлених у таблиці АЦП – ADS1258 як приклад. Цей АЦП призначений для 24-бітового перетворення 16 несиметричних або 8 диференціальних сигналів зі швидкодією до 23,7 кГц/канал (тобто оцифрування всіх 16 каналів становить менше 700 мкс). Сигнали можуть бути як однополярними, так і двополярними. Функціональна схема АЦП представлена малюноку 1.

Мал. 1. Функціональна схема АЦП ADS1258 

Перетворювач інтегрує безліч вузлів, що роблять його застосування особливо гнучким. Наприклад, на вхід АЦП можуть бути подані не тільки комутовані мультиплексором несиметричні та диференціальні сигнали, а й ряд внутрішніх сигналів, у тому числі напруга живлення, напруга вбудованого датчика температури та зовнішня опорна напруга. Внутрішня схема комутації також передбачає з'єднання входів АЦП та підключення їх до фіксованого рівня. Це дозволяє в реальному часі виконувати вимірювання зміщення входу АЦП і надалі програмно компенсувати це зміщення. При необхідності входи АЦП та виходи мультиплексора можуть бути з'єднані зовнішньою схемою аналогової обробки. Цікавою особливістю АЦП є у нього опціональних джерел струму кожному вході мультиплексора. Розмір струму задається програмно (1,5 або 24 мкА). Дана можливість дозволяє суттєво знизити кількість зовнішніх компонентів та собівартість кінцевого рішення у застосуваннях, де реалізуються такі функції, як, наприклад, опитування резистивних датчиків, аналогова конфігурація схеми за допомогою резисторів та діагностика підключення джерел сигналу. ADS1258 містить власний ДОН, проте він не служить повноцінною заміною зовнішньому ДОН, оскільки досягнення справжньої 24-бітної роздільної здатності – це виклик не тільки схемі АЦП, але і його джерела опорної напруги. Призначення вбудованого ДОН в даному випадку – діагностика зовнішньої опорної напруги. З його допомогою система може судити про якість роботи зовнішнього ДОН та у разі його погіршення (зникнення напруги або вихід за межі діапазону) – вжити відповідних заходів, наприклад, заблокувати виконання будь-яких функцій, що впливають на безпеку застосування системи.

АЦП НАСЛІДНОГО НАБЛИЖЕННЯ

АЦП даного типу можна назвати «робочою конячкою» в критичних до вартості системах з роздільною здатністю дискретизації від 8 до 16 біт і частотою дискретизації до 1...5 МГц. Типові сфери застосування: вбудовані системи керування, пристрої керування електродвигунами, пристрої автоматики, робототехніка, обробка сигналів у реальному часі, пристрої з батарейним живленням. Серед архітектур АЦП, що розглядаються тут, послідовного наближення за інших рівних умов забезпечують кращі значення часу перетворення та енергоспоживання. Відомості про деякі, рекомендовані для використання в промислових застосуваннях, АЦП послідовного наближення TI представлені в таблиці 2.

Примітки:
2. «Н» увказує на те, що наведена кількість каналів є несиметричними, «Д» – диференціальними, а «ПД» – псевдодиференційними.

Вагома частина цієї таблиці зайнята сімейством багатоканальних 8...12-бітових мікропотужних АЦП ADS79xx. Дані АЦП характеризуються частотою дискретизації до 1 МГц, частотою синхронізації послідовного інтерфейсу до 20 МГц, напругою живлення 2,7...5,5 В і типовим споживанням 14,5 мкВт. На малюнку 2 представлено функціональну схему перетворювачів ADS79xx.

Мал. 2. Функціональна схема АЦП ADS79xx 

На малюнку видно, вихід мультиплексора і вхід АЦП внутрішньо не з'єднані, а виведені на окремі виходи. Це дозволяє включити між цими висновками додаткову схему аналогової обробки, наприклад, підсилювач, що програмується. У такому випадку, для програмування посилення можуть бути задіяні лінії ADS79xx введення-виведення загального призначення. Логікою управління мікросхем підтримуються три режими завдання черговості перетворення каналів. У ручному режимі канал, що підлягає черговому перетворенню, задається програмно. У першому автоматичному режимі дотримується запрограмована заздалегідь черговість перетворення каналів, а в другому - перетворення виконуються в черговості від 0 каналу до заданого попередньо останнього каналу. Ще однією корисною особливістю АЦП, що розглядаються, є інтеграція в них блоку порівняння результату перетворення кожного каналу з двома програмованими порогами (нижні і верхні пороги). Результат порівняння можна опитати як програмно так й апаратно. Для цього потрібно використовувати альтернативні функції ліній введення-виведення як виходів блоку порівняння. Якщо такий вихід з'єднати з входом зовнішнього переривання МК, можна досягти швидкодіючого реагування на події, здатні вплинути на надійність або безпеку роботи системи, наприклад, перегрів, перевантаження, перенапруга, неприпустиме зниження напруги, фізичне втручання і т.п. До інших альтернативних функцій ліній введення-виведення відносяться: вхід управління включенням/відключенням, що дозволяє знизити споживання ІС до 1 мкА, і вхід завдання діапазону перетворення (2,5 або 5,0 В). Для програмування ІС використовується найпопулярніший інтерфейс SPI.