Аналого-цифровые преобразователи:

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

СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП

Данные АЦП являются современной альтернативой АЦП интегрирующего типа, от которых они изначально унаследовали отличную стойкость к низкочастотному электрическому шуму, что очень важно для многих промышленных применений. Однако свойственное многим сигма-дельта АЦП невысокое быстродействие, которое в принципе допустимо во многих промышленных измерительных устройствах, с запасом компенсируется высокой разрешающей способностью и высокой линейностью передаточной характеристики. Компания TI предлагает сигма-дельта АЦП с разрешением от 12 до 31 бит. Общие технические характеристики некоторых сигма-дельта АЦП TI представлены в таблице 1. Типичными областями их применения являются контрольно-измерительное оборудование низкого и среднего быстродействия, цифровые аудиосистемы, модули аналогового ввода промышленных контроллеров, системы сбора данных.

1. «Н» указывает на то, что приведенное число каналов являются несимметричными, а «Д» – что дифференциальными. «ОП» отмечает поддержку функции одновременного преобразования нескольких каналов. 
2. «PGA» указывает на наличие во входном каскаде АЦП программируемого усилителя. В скобках указан диапазон программирования коэффициента усиления.

Помимо разрешающей способности АЦП различаются быстродействием преобразования, количеством входных каналов и их электрическими характеристиками, интерфейсами управления и вывода результата преобразования, логикой управления преобразованиями, типом корпуса и прочими особенностями. Большинство многоканальных мультиплексированных АЦП могут работать в несимметричном или дифференциальном режиме входов, что повышает гибкость их применения. Например, 24-битный АЦП ADS1258 оснащен мультиплексором, который позволяет подключить ко входу АЦП либо 8 дифференциальных, либо 16 несимметричных сигналов. В состав некоторых АЦП, как, например, ADS1282, входит программируемый усилитель (PGA). Наличие PGA позволяет существенно расширить динамический диапазон АЦП, делая возможной прямую оцифровку слабых сигналов, например, температуры термопар, часто применяемых в промышленных системах контроля. Максимальную гибкость по конфигурации входов представляют оснащенные PGA многоканальные АЦП. Такие АЦП позволяют программно настроить входной диапазон для каждого канала и, за счет этого, напрямую подключиться к различного рода источникам сигналов. Среди представленных в таблице 1 АЦП есть два преобразователя, которые поддерживают одновременное преобразование каналов. Речь идет о ADS1274 и ADS1278. У них вместо мультиплексирования каналов предусмотрены отдельные дельта-сигма модуляторы и фильтры в каждом канале, т.е., по сути, они интегрируют в одном корпусе несколько АЦП с общим интерфейсом управления и вывода данных.

Что касается интерфейса вывода данных, то здесь пользователю доступны все наиболее популярные последовательные интерфейсы: от самого простого, по типу сдвигового регистра, до более продвинутых интерфейсов SPI и I2C. Некоторые АЦП, в том числе ориентированные на цифровые аудиоприменения (например, ADS1274/8), в дополнение к SPI поддерживают опциональный протокол FRAME SYNC (FSYNC).

При совместной работе АЦП с микроконтроллером (МК) наличие последовательного интерфейса позволяет по минимуму расходовать линии ввода-вывода МК. Однако бывают ситуации, когда бюджет свободных линий ввода-вывода жестко ограничен. В таких случаях может помочь наличие у некоторых АЦП порта расширения ввода-вывода. К числу таких АЦП относятся ADS1255/56/58.

Рассмотрим возможности одного из представленных в таблице АЦП – ADS1258 в качестве примера. Данный АЦП предназначен для 24-битного преобразования 16 несимметричных или 8 дифференциальных сигналов с быстродействием до 23,7 кГц/канал (т.е. время оцифровки всех 16 каналов составляет менее 700 мкс). Сигналы могут быть как однополярными, так и двухполярными. Функциональная схема АЦП представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Функциональная схема АЦП ADS1258 

Преобразователь интегрирует множество узлов, делающих его применение особенно гибким. Например, на вход АЦП могут быть поданы не только коммутируемые мультиплексором несимметричные и дифференциальные сигналы, но и ряд внутренних сигналов, в том числе напряжение питания, напряжение встроенного датчика температуры и внешнее опорное напряжение. Внутренняя схема коммутации также предусматривает соединение входов АЦП и подключение их к фиксированному уровню. Это позволяет в реальном времени выполнять измерение смещения входа АЦП и в дальнейшем программно компенсировать это смещение. При необходимости входы АЦП и выходы мультиплексора могут быть соединены внешней схемой аналоговой обработки. Интересной особенностью АЦП является наличие у него опциональных источников тока на каждом входе мультиплексора. Величина тока задается программно (1,5 или 24 мкА). Данная возможность позволяет существенно снизить количество внешних компонентов и себестоимость конечного решения в применениях, где реализуются такие функции как, например, опрос резистивных датчиков, аналоговая конфигурация схемы с помощью резисторов и диагностика подключения источников сигнала. ADS1258 содержит собственный ИОН, однако он не служит полноценной заменой внешнему ИОН, так как достижение истинной 24-битной разрешающей способности – это вызов не только схеме АЦП, но и его источнику опорного напряжения. Назначение встроенного ИОН в данном случае – диагностика внешнего опорного напряжения. С его помощью система может судить о качестве работы внешнего ИОН и в случае его ухудшения (исчезновение напряжения или выход за пределы диапазона) – принять соответствующие меры, например, заблокировать выполнение каких-либо функций, влияющих на безопасность применения системы.

АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ

АЦП данного типа можно назвать «рабочей лошадкой» в критичных к стоимости системах с разрешающей способностью дискретизации от 8 до 16 бит и частотой дискретизации до 1...5 МГц. Типичные области применения: встраиваемые системы управления, устройства управления электродвигателями, устройства автоматики, робототехника, обработка сигналов в реальном времени, устройства с батарейным питанием. Среди рассматриваемых здесь архитектур АЦП последовательного приближения при прочих равных условиях обеспечивают лучшие значения времени преобразования и энергопотребления. Сведения по некоторым, рекомендованным для использования в промышленных применениях, АЦП последовательного приближения TI представлены в таблице 2.

Примечания:
2. «Н» указывает на то, что приведенное число каналов являются несимметричными, «Д» – дифференциальными, а «ПД» – псевдодифференциальными.

Весомая часть этой таблицы занята семейством многоканальных 8...12-битных микромощных АЦП ADS79xx. Данные АЦП характеризуются частотой дискретизации до 1 МГц, частотой синхронизации последовательного интерфейса до 20 МГц, напряжением питания 2,7...5,5 В и типичным потреблением 14,5 мкВт. На рисунке 2 представлена функциональная схема преобразователей ADS79xx.

Рис. 2. Функциональная схема АЦП ADS79xx

На рисунке видно, что выход мультиплексора и вход АЦП внутренне не соединены, а выведены на отдельные выводы. Это позволяет включить между этими выводами дополнительную схему аналоговой обработки, например, программируемый усилитель. В таком случае, для программирования усиления могут быть задействованы имеющиеся у ADS79xx линии ввода-вывода общего назначения. Логикой управления микросхем поддерживаются три режима задания очередности преобразования каналов. В ручном режиме подлежащий очередному преобразованию канал задается программно. В первом автоматическом режиме соблюдается запрограммированная заранее очередность преобразования каналов, а во втором – преобразования выполняются в очередности от канала 0 до заданного предварительно последнего канала. Еще одной полезной особенностью рассматриваемых АЦП является интеграция в них блока сравнения результата преобразования каждого канала с двумя программируемыми порогами (нижний и верхний пороги). Результат сравнения можно опросить не только программно, но и аппаратно. Для этого нужно задействовать альтернативные функции линий ввода-вывода как выходов блока сравнения. Если такой выход соединить со входом внешнего прерывания МК, можно добиться быстродействующего реагирования на события, способные повлиять на надежность или безопасность работы системы, например, на перегрев, перегрузку, перенапряжение, недопустимое снижение напряжения, физическое вмешательство и т.п. К числу других альтернативных функций линий ввода-вывода относятся: вход управления включением/отключением, позволяющий снизить потребление ИС до 1 мкА, и вход задания диапазона преобразования (2,5 или 5,0 В). Для программирования ИС используется популярный интерфейс SPI.