Zřídka kladené otázky: Převodník s postupnou aproximací s PGA dosahuje dynamického rozsahu 125 dB

Mohl by 16bitový převodník s postupnou aproximací dosáhnout dynamického rozsahu 125 dB při 600 kSPS?

Ano, 89 dB + 18 dB + 20 dB ≥ 125 dB.

Úvod

Pro aplikace vyžadující velký dynamický rozsah se často používá převodník Σ-Δ. Takové aplikace se vyskytují hlavně v úlohách chemického rozboru, zdravotní péče a snižování tělesné hmotnosti. Mnohé z těchto modulů však nejsou schopné rychlého převodu. Obvod na obr. 1 popisuje způsob dosažení kombinace velkého dynamického rozsahu a vysoké rychlosti převodu.

Obvod na obr. 1 ukazuje 16bitový převodník 2,5 MSPS a programovatelný přístrojový zesilovač, který nastavuje zesílení na hodnotu 1 nebo 100. Převzorkováním a zpracováním digitálního signálu v FPGA dosahuje tento obvod dynamického rozsahu více než 125 dB, a přesto je velmi „tichý“.

Velkého dynamického rozsahu j dosaženo prostřednictvím automatického přepínání AD8253 a převzorkování, při němž je signál vzorkován mnohem vyšším kmitočtem, než je kmitočet Nyquistův. Podle odhadu zdvojnásobení vzorkovacího kmitočtu zlepší poměr signál/šum asi o 3 dB při původní šířce pásma. V obvodu na obr. 1 je stále použita digitální filtrace v FPGA k odstranění šumu nad kmitočtovým pásmem užitečného signálu. Princip je vidět na obr. 2.

K dosažení maximálního dynamického rozsahu se na vstupu používá přístrojový zesilovač ke stonásobnému zesílení velmi slabých signálů. Následuje několik úvah k šumovým poměrům:

Pro uspokojení požadavku dynamického rozsahu >126 dB vychází maximální úroveň šumu 1 μVef při vstupním signálu 3 V (6 V_šš). AD7985 je 16bitový převodník s postupnou aproximací 2,5 MSPS. Pokud je převodník provozován při 600 kSPS (k dosažení nízké výkonové ztráty 11 mW) s činitelem převzorkování 72, vychází rychlost vzorkování 8 kSPS, a tedy šířka pásma 4 kHz. Z těchto podmínek vychází šumová hustota maximálně 15,8 nV/√Hz. Tato hodnota je důležitá z hlediska výběru správného přístrojového zesilovače. Odstup signál-šum AD převodníku je typicky 89 dB, přičemž převzorkování s činitelem 72 přináší dalších 18 dB, a tedy je třeba ještě dalších 20 dB k dosažení cílové hodnoty 126 dB. To je úlohou přístrojového zesilovače. AD8253 má šumovou hustotu 11 nV/√Hz při zesílení 100. Následující AD8021, který je využit jako budič AD převodníku a pro nastavení úrovně, přidává dalších 2,1 nV/√Hz šumu.

Aby byl analogový signálový řetězec úplný, je doplněn napěťovou referencí REF194 a obvodem jako ADA4004-2 využitým jako oddělovač reference a budič pro vytváření posuvných napěťových úrovní. Kromě součástek v analogové signálové cestě je pro činnost obvodu důležité také FPGA (nebo procesor). Klíčovou úlohou je přepínání zesílení přístrojového zesilovače od 1 do 100. K tomu účelu se naprogramuje několik prahových hodnot, aby bylo zajištěno, že nedojde k saturaci AD převodníku. Takto pracuje AD8253 se zesílením 100 při vstupních napětích přibližně až 20 mV, což znamená maximálně 2,0 V na vstupu AD převodníku. FPGA potom sníží zesílení AD8253 bez zpoždění na hodnotu 1, aby nedošlo k přebuzení (viz obr. 3).

Obdobná zapojení lze vytvořit s dalšími AD převodníky, jako jsou AD7980 (16 bitů, 1 MSPS), AD7982 (18 bitů, 1 MSPS) nebo AD7986 (18 bitů, 2 MSPS). Podobně namísto AD8253 s hodnotami zesílení 1, 10, 100 a 1000 je možné použít přístrojový zesilovač, jako je AD8251, s užším rozsahem (zesílení 1, 2, 4, a 8). Možné obměny přicházejí v úvahu také při volbě zdroje referenčního napětí.

Úplný vývojový systém je k dispozici na www.analog.com/CN0260.

Článek byl přeložen a poskytnut firmou Amtek s. r. o.www.amtek.cz