Разрешение сигнала. Часть 2


 

Разрешение сигнала.

Часть 2: Введение в шум в дельта-сигма АЦП

13 февраля 2018 г. , Брайан Лизон, Texas Instruments

Во второй части этой серии я продолжу фундаментальное обсуждение шума АЦП, рассказав о том, как измерять шум АЦП, как представлены характеристики шума в таблицах данных АЦП, а также про абсолютные и относительные параметры шума.

Измерение шума АЦП

Прежде чем я объясню, как мы измеряем шум АЦП в Texas Instruments, важно понять, что когда вы смотрите на спецификации АЦП, цель состоит в том, чтобы охарактеризовать АЦП, а не систему. В результате способ тестирования шума АЦП и сама тестовая система должны демонстрировать возможности АЦП, а не ограничения тестирующей системы. Следовательно, использование АЦП в другой системе или в других условиях может привести к тому, что шумовые характеристики будут отличаться от значений, указанных в таблице данных.

Существует два метода измерения шума АЦП. В первом методе мы замыкаем входы АЦП, чтобы измерить небольшие изменения выходного кода в результате теплового шума. Второй метод включает в себя ввод синусоидального сигнала с определенной амплитудой и частотой (например, 1 В при частоте 1 кГц) и отчет о том, как АЦП квантует синусоидальный сигнал. На рисунке 1 показаны эти типы измерений шума.

 

Рисунок 1. Схема тестирования короткого замыкания на входе (а); Схема тестирования синусоидального входа (б)

 

Обычно мы выбираем метод измерения шума отдельного АЦП в зависимости от его целевого конечного применения. Например, дельта-сигма АЦП, которые измеряют медленно меняющиеся сигналы, такие как температура или вес, используют тест короткого замыкания входного сигнала, который точно измеряет производительность при постоянном токе. Дельта-сигма АЦП, используемые в высокоскоростных системах сбора данных, обычно полагаются на метод синусоидального ввода, где производительность переменного тока имеет решающее значение. Для многих АЦП в технических характеристиках указаны оба типа измерений.

Например, 24-битный ADS127L01 от TI имеет высокую максимальную частоту дискретизации 512kSPS и широкополосный фильтр с малой полосой пропускания и пульсациями, которые обеспечивают дискретизацию переменного сигнала с высоким разрешением для испытательного и измерительного оборудования. Однако эти приложения часто требуют точного измерения постоянной составляющей сигнала. В результате мы охарактеризовали не только характеристики АЦП с диапазоном входных сигналов переменного тока с разными частотами дискретизации, но также характеристики ADS127L01 по постоянному току с помощью теста на короткое замыкание на входе.

Характеристики шума в таблицах данных АЦП

Если вы посмотрите техническое описание ADS127L01 (или любое техническое описание АЦП, если уж на то пошло), вы увидите, что шумовые характеристики представлены в двух формах: графической и числовой. На рисунке 2 показано быстрое преобразование Фурье (БПФ) шумовых характеристик ADS127L01 с использованием входного синусоидального сигнала с амплитудой -0,5 дБFS и частотой 4 кГц. На основе этого графика мы рассчитываем и сообщаем о важных параметрах переменного тока, таких как отношение сигнал/шум (SNR), общее гармоническое искажение (THD), отношение сигнал/шум и искажения (SINAD) и эффективное число бит (ENOB).

 

Рис. 2. Пример БПФ ADS127L01 с входным сигналом 4 кГц, -0,5 дБFS

 

Для характеристик постоянного тока гистограмма шума показывает распределение выходных кодов для конкретной настройки усиления, типа фильтра и частоты дискретизации. На основе этого графика мы рассчитываем и сообщаем о важных параметрах производительности шума постоянного тока, таких как входной шум, эффективное разрешение и разрешение без шума. (Примечание: многие инженеры используют термины «ENOB» и «эффективное разрешение» как синонимы для описания характеристик АЦП по постоянному току. Однако ENOB — это просто спецификация динамических характеристик, полученная из SINAD, и она не предназначена для описания характеристик постоянного тока, поэтому в остальных статьях этой серии я буду использовать эти термины соответственно. Более полные определения параметров и уравнения см. в Таблице 1.)

На рисунке 3 показана гистограмма шума ADS127L01.

 

Рисунок 3. Пример гистограммы шума ADS127L01

 

Как и график БПФ, гистограмма шума предоставляет важную графическую информацию о характеристиках шума постоянного тока. Поскольку гистограмма шума имеет распределение Гаусса, определение среднего (среднеквадратического [RMS]) уровня шума обычно представляет собой одно стандартное отклонение – область, заштрихованную красным на рисунке 4а.

На рисунке 4b область, заштрихованная синим цветом, отображает размах шума (VN,PP) АЦП. Размах шума определяется как 6 или 6,6 стандартных отклонений из-за пик-фактора гауссовского шума, который представляет собой отношение пикового значения к среднему значению. Размах шума определяет статистическую вероятность того, что измеренный шум будет находиться в этом диапазоне. Если ваш входной сигнал также попадает в этот диапазон, есть вероятность, что он будет затенен минимальным уровнем шума, что приведет к мерцанию кода. Дополнительная передискретизация поможет снизить размах шума за счет увеличения времени выборки.

 

Рис. 4. Среднеквадратичный шум ADS127L01 (а); размах шума (б)

 

Вы также найдете вышеупомянутые характеристики переменного и постоянного тока в цифровом виде в разделе электрических характеристик любого паспорта АЦП. Исключением из этого правила являются АЦП со встроенными усилителями, шумовые характеристики которых зависят от коэффициента усиления и скорости передачи данных. В таких случаях обычно существует отдельная таблица шума для таких параметров, как шум, относящийся к входу (RMS или размах), эффективное разрешение, разрешение без шума, ENOB и SNR.

В таблице 1 приведены параметры шума переменного и постоянного тока, их определения и уравнения.

 

Таблица 1. Типичные параметры шума АЦП с определениями и уравнениями.

 

Абсолютные и относительные параметры шума

Важной характеристикой всех уравнений в таблице 1 является то, что они включают в себя некоторое соотношение значений. Мы определяем их как «относительные параметры». Как следует из названия, эти параметры обеспечивают показатель шумовых характеристик относительно некоторой абсолютной величины, обычно входного сигнала (децибелы относительно несущей [дБн]) или полномасштабного диапазона (децибелы относительно полной шкалы [дБFS]).

На рисунке 5 показан выходной спектр ADS127L01 с использованием входного сигнала с уровнем -0,5 дБFS, где полная шкала равна 2,5 В. Если вы выбираете входной сигнал системы, который не привязан к одному и тому же полномасштабному напряжению, или если амплитуда входного сигнала отличается от значения, определенного в технических характеристиках, вам не обязательно ожидать достижения характеристик, указанных в технических характеристиках, даже если все другие ваши входные условия идентичны.

 

Рисунок 5. БПФ ADS127L01 с входным напряжением (V IN ), приведенным к полной шкале.

 

Аналогично, для параметров шума постоянного тока из таблицы 1 видно, что эффективное разрешение зависит от шумовых характеристик АЦП, относящихся к входу, в данных рабочих условиях, а также от FSR АЦП. Поскольку FSR зависит от опорного напряжения АЦП, использование опорного напряжения, отличного от указанного в таблице данных, влияет на показатели производительности вашего АЦП.

Для АЦП высокого разрешения увеличение опорного напряжения увеличивает максимальный входной динамический диапазон, в то время как шум, относящийся к входу, остается прежним. Это связано с тем, что шумовые характеристики АЦП высокого разрешения в значительной степени не зависят от опорного напряжения. Для АЦП с низким разрешением, где в шуме преобладает размер младшего значащего бита (LSB), увеличение опорного напряжения фактически увеличивает входной шум, в то время как максимальный входной динамический диапазон остается примерно таким же. В таблице 2 суммированы эти эффекты.

 

Таблица 2: Влияние изменения опорного напряжения на параметры шума АЦП

 

Поэтому, чтобы охарактеризовать максимальный динамический диапазон АЦП, большинство производителей АЦП указывают эффективное разрешение и разрешение без шумов, исходя из предположения, что FSR максимизируется. Другими словами, если ваша система не использует максимальное значение FSR (или любое значение FSR, которое производитель использовал для характеристики АЦП), вам не следует ожидать достижения эффективных или свободных от шума значений разрешения, указанных в таблице данных.

Давайте проиллюстрируем этот момент, используя опорное напряжение 1 В с АЦП, шум в паспорте которого характеризуется опорным напряжением 2,5 В. Продолжая рассматривать в качестве примера ADS127L01, на рис. 6 показано, что использование опорного напряжения 2,5 В и скорости передачи данных 2 kSPS в режиме очень низкого энергопотребления (VLP) приводит к шуму на входе 1,34 мкВRMS и эффективному разрешению 21,83 бита.

 

Рисунок 6. Шумовые характеристики ADS127L01: фильтр с малой задержкой, AVDD = 3 В, DVDD = 1,8 В и VREF = 2,5 В.

 

Однако использование опорного напряжения 1 В снижает FSR до 2 В. Вы можете использовать это значение для расчета нового ожидаемого эффективного разрешения (динамического диапазона), определяемого уравнением 1:

Изменение опорного напряжения уменьшило FSR АЦП, что, в свою очередь, уменьшило его эффективное разрешение (динамический диапазон) по сравнению со значением, указанным в таблице данных, более чем на 1,3 бита. Уравнение 2 обобщает эту потерю разрешения:

где % использования — это просто отношение фактического FSR к FSR, которым характеризуется шум АЦП.

Хотя эта кажущаяся потеря разрешения может показаться недостатком использования дельта-сигма АЦП с высоким разрешением, вспомните, что, хотя FSR уменьшается, шум, относящийся к входу, — нет. Поэтому я предлагаю выполнить анализ шума АЦП, используя абсолютный параметр шума или тот, который измеряется напрямую. Использование параметра абсолютного шума устраняет зависимость от входного сигнала и опорного напряжения, характерную для относительных параметров шума. Кроме того, абсолютные параметры упрощают взаимосвязь между шумом АЦП и шумом системы.

Для анализа шума АЦП я рекомендую использовать шум, относящийся к входу. Я выделил эту фразу жирным шрифтом, поскольку использование входного шума для определения производительности АЦП не является общепринятой практикой. Фактически, большинство инженеров говорят исключительно об относительных параметрах, таких как эффективное и бесшумное разрешение, и глубоко обеспокоены, когда не могут максимизировать эти значения. В конце концов, если вам нужно использовать 24-битный АЦП для достижения эффективного 16-битного разрешения, создается впечатление, что вы платите за производительность, которую АЦП на самом деле обеспечить не может.

Однако эффективное разрешение в 16 бит не обязательно говорит вам о том, какую часть FSR вы используете. Вам может потребоваться всего 16 бит эффективного разрешения, но если минимальный входной сигнал составляет 50 нВ, вы никогда не сможете решить это с помощью 16-битного АЦП. Таким образом, настоящим преимуществом дельта-сигма АЦП высокого разрешения является низкий уровень входного шума, который он обеспечивает. Это не означает, что эффективное разрешение неважно – просто это не лучший способ параметризации системы.

В конечном счете, если АЦП не может разрешить одновременно минимальный и максимальный входные сигналы, максимизация отношения сигнал/шум или эффективное разрешение не имеет значения. И в отличие от эффективного разрешения, требуемый входной шум АЦП обычно можно легко и напрямую определить из характеристик системы. Эта характеристика делает анализ шума, связанного с входными данными, более гибким к изменениям в системе. Кроме того, он позволяет легко сравнивать различные АЦП, чтобы выбрать конкретный АЦП для любого приложения.

В третьей части этой серии статей я подробно рассмотрю пример конструкции резистивного моста, используя как относительные, так и абсолютные параметры шума для определения разрешения системы и демонстрации эффективности каждого из них. Я также покажу, как каждый тип параметра влияет на сравнение и выбор АЦП.

Ключевые выводы

Вот краткое изложение важных моментов, которые помогут лучше понять шум в дельта-сигма АЦП:

  • Различные измерения количественно определяют разные типы шума:
    • Для измерения характеристик шума переменного тока используйте прикладной тест с сигналом переменного тока.
    • Чтобы измерить шумовые характеристики постоянного тока, используйте тест на короткое замыкание на входе.
    • Конечные приложения АЦП обычно определяют тип измерения шума.
  • Показатели эффективного/бесшумного разрешения? В общем, предположим, что входной сигнал = FSR.
  • Существует два типа параметров шума:
    • Относительный – рассчитывается с использованием соотношения измеренных величин.
    • Абсолютный – измеряется напрямую.
  • Шум, относящийся к входу, является абсолютной мерой разрешения АЦП (наименьший измеримый сигнал). Биты без шума и эффективное разрешение — это относительные параметры, описывающие динамический диапазон АЦП.

 

 


Возврат к оглавлению

Дата последнего изменения: 27.05.2024

postmaster@rusmagnet.ru