Lumea modernă în care trăim este inundată de cantități tot mai mari de date – compuse din semnale analogice și digitale. Valorile analogice sunt caracteristice fenomenelor naturale, cum ar fi temperatura, lumina, sunetul și presiunea. Pe de altă parte, tehnologia electronică se bazează pe recepționarea, procesarea și apoi transmiterea semnalelor digitale.
Chiar dacă semnalele analogice și digitale pot avea un comportament destul de diferit, acestea trebuie, adesea, să funcționeze împreună în sistemele electronice. Semnalele provin din lumea reală și trebuie să se întoarcă din nou în ea pentru ca oamenii să le perceapă și să interacționeze cu acestea. Aici apar convertoarele de date – mai precis convertoarele analog/digitale (ADC) și convertoarele digital/analogice (DAC), care sunt însoțite adesea de circuite de condiționare a semnalelor pentru a le pregăti pentru următoarea etapă de procesare.
Formele de undă analogice variază continuu în timp, în funcție de frecvență și de amplitudine și oferă un set de valori cu potențial infinit. Sunetele pe care le auzim și cuvintele rostite sunt analogice. Imaginile, de asemenea, analogice la sursă, sunt transformate într-o percepție vizuală cu ajutorul unor senzori analogici sofisticați, care sunt ochii noștri. Măsurarea bătăilor inimii sau urmărirea deplasării noastre implică atât captarea semnalelor analogice, cât și prelucrarea ulterioară a acestora.
În schimb, informația digitală este reprezentată de semnale discrete în timp și amplitudine cuantificate prin folosirea biților digitali în format numeric binar. Această limbă digitală este în măsură să prelucreze eficient datele și să le stocheze pe termen lung. Este, prin urmare, folosită pe scară largă în sistemele de calcul și de telecomunicații.
Hardware-ul electronic va necesita întotdeauna interfețe care transformă semnalele din domeniul analogic în domeniul digital și invers. Pentru inginerii proiectanți, ADC-urile și DAC-urile sunt componente fundamentale în crearea unui sistem. Luați în considerare proiectarea unui sistem inteligent de control al climatizării pentru un vehicul. Echipele de inginerie care se confruntă cu această sarcină vor trebui să citească o serie de temperaturi analogice preluate de la senzori dispuși în întreaga cabină, în zone diferite de pasageri, precum și de la senzori externi. Se vor folosi ADC-uri pentru a converti aceste valori analogice într-o reprezentare binară – în pași discreți – care pot fi apoi procesate de microcontrolerul (MCU) sistemului. Microcontrolerul va combina aceste date cu comenzile și setările introduse de pasageri printr-o interfață om-mașină (HMI –Human Machine Interface). Valorile temperaturii analogice derivate de la ocupanții vehiculului (precum și de la comenzile HMI fizice) vor fi din nou convertite în semnale digitale de către un ADC. Datele de semnal digital obținute astfel vor fi apoi utilizate de microcontroler pentru a menține un mediu stabil. DAC-urile pot fi folosite pentru a converti semnalele digitale înapoi la cele analogice pentru a oferi un feedback interfeței om-mașină. Altfel, codul binar ar fi imposibil de înțeles de ocupanții vehiculului.
Progresul tehnologic din zona convertoarelor de date
Inovațiile incrementale în conversia datelor din ultimele decenii nu numai că au permis obținerea de performanțe avansate (cu beneficii importante atât pentru comunicațiile celulare și imagistica medicală cât și pentru sistemele audio și video de consum), dar au ajutat, de asemenea, la lansarea de aplicații complet noi. Cererea tot mai mare de comunicații în bandă largă (atât prin cablu, cât și wireless), de aplicații de imagistică de înaltă performanță (de la imagistică medicală/științifică până la inspecție industrială) plus apariția AR (Augmented Reality – Realitatea augmentată)/VR (Virtual Reality – Realitatea virtuală), recunoașterea facială etc., au determinat o concentrare sporită asupra conversiei de date de mare viteză.
Circuitele integrate de conversie a semnalelor, care sunt capabile să gestioneze lărgimi de bandă de peste 1GHz, devin din ce în ce mai obișnuite. Pentru a atinge aceste viteze de ultimă oră, a fost utilizată o gamă variată de arhitecturi de semnal mixt, fiecare cu avantaje operaționale deosebite.
Puterea mai mare de procesare, transferul rapid al datelor – generate de miniaturizarea extremă și de posibilitatea de scalare, care oferă tranzistori mai mici ce pot comuta mai rapid (și la putere redusă) – conduc, în mod natural, la o conversie mai rapidă. Ca urmare, semnalele de bandă largă își extind lățimea de bandă (adesea la limitele de frecvență stabilite de legile fizice), iar sistemele imagistice pot gestiona mai mulți pixeli/s – pentru a reda mai rapid și la o rezoluție mai mare conținutul imaginii. Pe măsură ce sistemele sunt re-proiectate pentru a profita de această putere extremă de procesare, apare o nouă tendință îndreptată către convertoare de date cu mai multe canale și chiar către sisteme definite software.
În locul unei abordări convenționale în care accentul se pune mai mult pe activitatea de condiționare a semnalului în domeniul analogic atunci când identificăm, filtrăm și amplificăm un semnal de interes de la o stație radio (înainte de a duce semnalul în domeniul digital), o abordare de arhitectură multi-purtătoare ar putea digitiza întregul spectru și apoi utiliza procesarea digitală pentru a identifica, selecta și recupera semnalele de interes. Acest lucru necesită circuite mai sofisticate, dar oferă avantaje importante, permițând recuperarea simultană de la stații multiple. Așadar, un digitizor de bandă largă, combinat cu un procesor puternic, plus un convertor de date cu viteze și performanțe sporite, formează un sistem de comunicație radio definit software SDR (Software-Defined Radio) care poate recupera orice tip de semnal – echivalentul procesării de semnal în cazul virtualizării.
Analog Devices (ADI) a lansat recent primul dispozitiv care face parte dintr-o nouă serie de convertoare RF concepute pentru aplicații cu lățime de bandă ridicată, cum ar fi stațiile de bază pentru comunicații fără fir 4G/5G, sistemele multi-standard de testare a producției și echipamentele electronice militare de apărare. Bazat pe tehnologia CMOS de 28nm, modelul AD9213 oferă o combinație puternică de viteză, lărgime de bandă și gamă dinamică. Dispunând de performanțe parametrice superioare, lățime de bandă Nyquist mai mare și eșantionare RF superioară la frecvențe analogice de intrare mai mari decât convertoarele ADC RF convenționale, dispozitivul AD9213 permite digitizarea semnalelor RF de până la 7GHz. Proiectat pentru a permite următoarea generație de sisteme definite software în avionică, instrumentație și comunicații, acesta conduce la o mai mare integrare a sistemului și la un consum redus de energie. AD9213 oferă inginerilor din industria aerospațială și de apărare capacitatea de a procesa mai multe secțiuni de spectru în aplicațiile de supraveghere electronică, precum și o rezoluție sporită și o rază mai mare în sistemele radar.
Figura 1: Convertorul ADC12DJ3200 de la Texas Instruments.
Sistemele radar de înaltă densitate cu rețele de antene comandate în fază, sistemele de testare 5G și comunicațiile prin satelit necesită tot mai mult transfer de date, lățime de bandă crescută și putere redusă, la toate acestea adăugându-se constrângerile de spațiu pe placa de PCB. Convertorul analog/digital ADC12DJ3200 de bandă largă de la Texas Instruments oferă o rată de eșantionare extrem de rapidă, de 6.4GSPS la o rezoluție de 12-biți. Mulțumită gamei sale înalte de frecvențe de intrare analogice, cu eșantionare RF directă de până la 10GHz (care acoperă benzile L, S și C și se extinde până în banda X), dispozitivul permite arhitecturi simplificate ale sistemului și oferă o agilitate de frecvență sporită, reducând complexitatea circuitului de filtrare – care, la rândul său, economisește spațiul pe placa de circuit și păstrează un număr scăzut al componentelor.
Figura 2: Convertorul ADC Si890x de la Silicon Labs.
Pentru inginerii care proiectează soluții de monitorizare continuă pentru aplicații purtabile de sănătate și fitness, Maxim oferă o soluție AFE (Analog Front-End) de analiză completă a electrocardiogramei (ECG) și a bio-impedanței (BioZ). Măsurând ritmul cardiac, respirația și aritmiile, MAX30001 este mic, dar suficient de puternic pentru a fi încorporat în îmbrăcămintea bio-sensibilă pentru a monitoriza și a urmări starea de sănătate 24/7. Acest dispozitiv de clasă clinică oferă convertoare de date de înaltă rezoluție, furnizând un ENOB de 15.9-biți (Effective Number Of Bits – n.t.: ENOB este o măsură a domeniului dinamic al unui convertor analog-digital (ADC) și a circuitelor sale asociate) cu zgomot (tipic) de 3.1μVPP pentru măsurători ECG și un ENOB de 17-biți cu zgomot (tipic) 1.1μVPP pentru măsurătorile BioZ.
Conceput special pentru cerințele de monitorizare a liniilor de rețea, Silicon Labs a lansat primele convertoare ADC izolate pe 10-biți din industrie. Dispozitivele din familia Si890x utilizează tehnologia patentată a companiei de izolare digitală bazată pe CMOS. Prin integrarea atât a funcțiilor ADC cât și a celor de izolare se obține o soluție de amprentă mult mai mică și mai subțire decât ar putea să o obțină transformatoarele convenționale. Fiecare intrare a convertorului ADC dispune de un multiplexor analogic cu 3 canale, care permite unui singur Si890x să monitorizeze până la trei semnale diferite (de obicei tensiune și curent de rețea AC, împreună cu un al treilea canal care servește ca rezervă).
Author:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
https://www.mouser.com
Nota redacției: Un AFE (sau AFEC analogic) este un set de circuite analogice de condiționare a semnalului care utilizează amplificatoare analogice sensibile, adesea amplificatoare operaționale, filtre și uneori circuite integrate specifice pentru aplicații pentru senzori, receptoare radio și altele circuite pentru a asigura un bloc funcțional de electronică configurabil și flexibil, necesar pentru a interfața o varietate de senzori cu o antenă, cu un convertor analog -digital sau, în unele cazuri, cu un microcontroler.