O aplicație tipică în ingineria electrică este înregistrarea unor mărimi fizice de către senzori și transmiterea acestor mărimi către un microcontroler pentru procesare ulterioară. Pentru a converti semnalele analogice de ieșire ale senzorilor în semnale digitale, sunt necesare convertoare ADC. Pentru aplicațiile de înaltă precizie, se utilizează convertoare cu aproximări succesive (SAR) sau Sigma-Delta. În cazul aplicațiilor cu consum redus de putere, fiecare mW care poate fi economisit contează.
Conversia semnalelor cu ADC-uri Sigma-Delta
ADC-urile sigma-delta oferă câteva avantaje față de ADC-urile SAR. În primul rând, acestea au, adesea, rezoluții mai mari. În plus, integrează amplificatoare cu câștig programabil (PGA) și intrări/ieșiri de uz general (GPIO). Astfel, ADC-urile sigma-delta sunt potrivite pentru aplicații de condiționare și măsurare a semnalelor de înaltă precizie în curent continuu și de joasă frecvență. Cu toate acestea, din cauza ratei de supraeșantionare ridicate și fixe, un ADC sigma-delta are, de obicei, un consum de putere mai mare, ceea ce se traduce printr-o durată de viață mai mică în cazul aplicațiilor care necesită alimentarea de la baterii.
Dacă tensiunea de intrare este mică – adică în domeniul milivolților – aceasta trebuie, mai întâi, să fie amplificată, astfel încât să poată fi gestionată mai ușor de ADC. Vom avea nevoie de un circuit de condiționare a semnalului analogic (AFE) cu PGA (Programable Gain Amplifier) pentru a obține o tensiune de ieșire de 10 mV dintr-o tensiune mică. De exemplu, pentru a amplifica tensiuni mici provenite de la un circuit în punte, care să fie utile unui ADC sigma-delta cu un interval de intrare de 2,5V, PGA-ul trebuie să aibă un câștig de 250. Acest lucru duce însă la un zgomot suplimentar la intrarea ADC-ului, deoarece tensiunea de zgomot este și ea amplificată. Rezoluția efectivă a unui ADC sigma-delta pe 24-biți este astfel redusă foarte mult, până la 12 biți. În anumite circumstanțe, rezoluția ADC-ului nici nu mai contează, deoarece amplificarea suplimentară nu mai oferă o îmbunătățire a domeniului dinamic. Un alt dezavantaj al ADC-urilor sigma-delta este reprezentat de costurile, de obicei mai mari, care rezultă din complexitatea lor internă.
Avantajele combinării unui convertor SAR cu un amplificator de instrumentație (In-Amp)
Figura 1: Schema de principiu a unui circuit, simplificat, de măsurare în punte combinat cu un amplificator de instrumentație și un SAR-ADC. (© ADI)
O alternativă la fel de precisă, dar mai rentabilă și mai eficientă este utilizarea unui SAR-ADC în combinație cu un amplificator de instrumentație (in-amp), așa cum se arată în figura 1.
Funcția unui convertor SAR poate fi împărțită în două faze: faza de achiziție a datelor și faza de conversie. Practic, în faza de achiziție a datelor, consumul de curent este redus. Cele mai multe convertoare SAR se dezactivează, chiar, între conversii. Așadar, faza de conversie consumă cel mai mult curent. Consumul de putere depinde de rata de conversie și este proporțional cu rata de eșantionare. Pentru aplicații care permit reducerea consumului de energie în cazul măsurătorilor cu răspuns lent – adică măsurători în care mărimile măsurate se modifică lent (de exemplu, măsurători de temperatură) – trebuie utilizată o rată de conversie mică pentru a menține un consum redus de curent și, prin urmare, un nivel scăzut al pierderilor. Figura 2 prezintă, ca exemplu, pierderile de putere în AD4003 la diferite rate de eșantionare. La 1 kSPS, pierderea de putere este de aproximativ 10 µW; la 1 MSPS, aceasta a crescut deja la 10 mW.
Figura 2: Pierderea de putere în AD4003 în funcție de rata de eșantionare. (© ADI)
Spre deosebire de măsurătorile lente, ADC-urile sigma-delta dispun de punctele forte ale supraeșantionării, utilizând în același timp o frecvență a oscilatorului intern mult mai mare decât rata de ieșire. Acest lucru permite proiectanților să optimizeze eșantionarea pentru viteze mai mari cu performanțe mai slabe de zgomot sau pentru viteze mai mici cu mai multă filtrare, modelare a zgomotului (împingând zgomotul în banda de frecvență din afara zonei de interes pentru măsurare) și performanțe mai bune de zgomot. Dar acest lucru înseamnă un consum de putere mult mai mare în cazul convertoarelor sigma-delta, în comparație cu cel al convertoarelor SAR. Rezoluția efectivă și rezoluția fără zgomot a multor ADC-uri sigma-delta sunt menționate în foile de catalog ale acestora, ceea ce face mai ușoară o comparație a compromisurilor.
Concluzie
Atât ADC-urile sigma-delta în combinație cu PGA-uri, cât și SAR cu un amplificator de instrumentație sunt potrivite pentru conversia semnalelor în aplicațiile de măsurare de înaltă precizie. Ambele soluții au o precizie similară. Cu toate acestea, pentru aplicațiile de măsurare cu consum redus de putere sau care sunt alimentate de la baterii, combinația SAR-ADC și amplificatorul de instrumentație este mai bună, deoarece oferă un consum de putere mai mic și costuri mai mici în comparație cu soluția formată din PGA și ADC sigma-delta. În plus, un PGA cu un câștig ridicat limitează adesea performanța, deoarece zgomotul este, de asemenea, amplificat. Acest articol se referă doar la o posibilă soluție pentru un SAR-ADC. Sunt disponibile soluții mai integrate, cum ar fi un convertor sigma-delta precum AD7124-4/AD7124-8 cu un PGA integrat.
Despre autor
Thomas Brand și-a început cariera la Analog Devices din München în 2015, cu ocazia susținerii tezei sale de masterat. După absolvire, a avut parte de un program de instruire la ADI. În 2017, a devenit inginer de aplicații. Thomas oferă asistență clienților industriali mari din Europa Centrală și este specializat, de asemenea, în domeniul Ethernet industrial. A studiat ingineria electrică la University of Cooperative Education din Mosbach, înainte de a-și finaliza studiile postuniversitare în domeniul vânzărilor internaționale, cu un masterat la University of Applied Sciences din Constance.
Vizitați https://ez.analog.com
Contact România:
Email: inforomania@arroweurope.com
Mobil: +40 731 016 104
Arrow Electronics | https://www.arrow.com
