ADC (convertitore analogico digitale) TOP

Gli A/D (convertitori analogico digitale) sono usati per trasformare una informazione analogica, quali segnali radio o misure di variabili fisiche (per esempio una forza o la rotazione di un albero), in una forma adatta per la manipolazione digitale. Ultimamente ho un idea che mi sta frullando nella testa. Vorrei realizzare un progetto usando un micro-controllore che può riprodurre file audio. Un file audio, o semplicemente .wav dopo il suo nome, è un genere comune di file sonoro. Il file .wav ha due qualità ed un inconveniente: è un formato privo di perdite, nel senso che non compromette la qualità dell'audio, in più è molto facile da editare e manipolare con il software. L'inconveniente è che ha una estensione molto grande: una canzone di quattro minuti può occupare più di 40 megabyte di memoria! (2*44000*2*4*60=42240000/1024=41250MB). Gli A/D (convertitori analogico digitale) per applicazioni audio convertono l'audio analogico in audio digitale, questa conversione deve tenere conto di:

Frequenza di campionamento
La frequenza di campionamento indica il numero di campioni per secondo che vengono registrati in maniera digitale, frazionando l'onda sonora in tanti piccoli pezzi, chiamati campioni, e dando loro un valore. La frequenza di campionamento si misura in Hertz (Hz).
La frequenza di 11 kHz è adatta alla registrazione della voce umana.
La frequenza di 22 kHz è adatta alla registrazione su nastro.
La frequenza di 44 kHz è adatta alla registrazione su cd.
Ridurre la frequenza di campionamento comporta una perdita di qualità dell'audio.

Numero di Bit
Il numero di bit rappresenta la dimensione di un'onda audio e può essere a 8 o a 16 bit. Ovviamente una risoluzione a 8 bit ha una qualità audio inferiore in confronto a quella a 16 bit.

Tipo di canale
Esistono tre metodi per miscelare i canali audio durante la compressione: mono, stereo, joint stereo.

Tipo di conversione

-Flash, è veramente veloce, risoluzione limitata (12 bit al massimo), usata per video, test strumentali, applicazioni di telecomunicazioni
- SAR, registro per le approssimazioni successive, forse il più diffuso, si trova soprattutto come periferica di un microcontrollore.
- Sigma Delta, introdotto recentemente, è largamente usato nei dispositivi audio commerciali.
- Dual slope, bassa velocità, obsoleto, buono per segnali a basso livello.
Prima di parlare degli A/D audio adatti al mio progetto, voglio ricordare i loro principali parametri.

• SPS: velocità di conversione, si esprime in campioni per secondo.
  Risoluzione : generalmente si esprime in Bit (8,10,12 ecc.) ed è il grado di divisione di un ingresso analogico. Facciamo un esempio: un A/D a 8 bit può dividere un ingresso analogico in 256 campioni (28 = 256), così se la tensione in ingresso varia da 0 a 5V avremo che 5/256 (19,5 mV) è il più piccolo campione di conversione.
• DNL/INL: non linearità differenziale/non linearità integrale
  Quando si applica una corrente continua ad un convertitore analogico digitale, questa si dovrebbe convertire secondo la formula: Vfs/2 exp. (n). Vfs è la massima tensione in ingresso ed n è il numero di bit dell' A/D. In realtà la conversione ha sempre un errore che si chiama DNL. Inoltre bisogna aggiungere la non linearità integrale a questo errore. INL è la somma di tutti gli errori DNL nella funzione di trasferimento di un convertitore analogico digitale.
• SNR: rapporto segnale rumore.
  Quando si applica un'onda sinusoidale ad un A/D, si ottengono in uscita dei valori campionati (dovuto alla risoluzione). Gli errori della conversione si manifestano sotto forma di rumori.
• THD: distorsione armonica totale.
• SINAD: segnale/rumore e distorsione (rapporto tra SN e THD).
• ENOB: numero effettivo di bit

Quindi per il mio progetto sto cercando un convertitore analogico digitale con le seguenti caratteristiche:

- SPS almeno a 44 KHz (o più per prestazioni migliori).
- Risoluzione da 16 a 24 bit
- Almeno due canali (stereo o più).

Molte aziende producono i convertitori A/D, ma solo alcune producono quelli che sto cercando. Qui di seguito darò una lista di A/D con una breve descrizione delle loro caratteristiche. Ovviamente cliccando sul web del produttore si possono trovare sia i data sheets che altre informazioni.

1.PCM1801 (Texas In.) è un A/D a basso costo. Comprende un filtro anti-aliasing, un ingresso di tensione analogico single-ended, una interfaccia seriale che supporta operazioni slave mode e due formati di dati.(Data sheets and application notes disponibili su: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/pcm1801.html )

2.PCM1870 (Texas In.) è un A/D a bassa potenza. Ha effetti sonori, controllo di livello automatico (ALC), interfaccia di controllo SPI-I²C, filtro passa alto e un filtro notch a due stadi. (Data sheets and application notes disponibili su: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/pcm1870.html)
3.PCM1870A (Texas In.) è molto simile al PCM1870. Ha alcune funzioni programmabili tramite l'aggiunta di un registro di controllo e ha solo la confezione 24 DSBGA. (Data sheets and application notes disponibili su:
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/pcm1870a.html )
4.PCM1803 (Texas In.) è un A/D a basso costo e alte prestazioni. Include un filtro a selezione digitale e un filtro passa alto che elimina la componente a corrente continua del segnale di ingresso. (Data sheets and application notes disponibili su:
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/pcm1803.html)
5.AK5355 (AKM) è un A/D a basso voltaggio. L'ingresso del segnale analogico è single-ended, eliminando così il bisogno di filtri esterni. (Data sheets and evaluation board manual disponibili su: http://www.akm.com/prodfolder-adc.asp?p=AK5355)
6.AK5701 (AKM) ha un circuito ALC (Auto Level Control) adatto per applicazioni trasportabili con la funzione di registrazione. (Data sheets and evaluation board manual disponibili su: http://www.akm.com/prodfolder-adc.asp?p=AK5701)

7.AK5702 (AKM) è un A/D a 4 canali. Il suo software è compatibile con la versione stereo dell'AK5701. (Data sheets and evaluation board manual disponibili su: http://www.akm.com/prodfolder-adc.asp?p=AK5702)
8.AD1870 (Analog Devices) è un A/D basato sulla tecnologia sigma-delta, progettato soprattutto per applicazioni con larghezza di banda audio digitali. (Data sheets and application notes disponibili su: http://www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/audio-ad-converters/AD1870/products/product.html)
9. AD1877 (Analog Devices) è molto simile all'AD1870. Ogni canale single-ended è composto da un attenuatore del rumore a un bit del quarto ordine e di un filtro a selezione digitale.(Data sheets and application notes disponibili su: http://www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/audio-ad-converters/AD1877/products/product.html)
10. MAX1167 (Maxim) è un A/D a bassa potenza, a 4 canali. Ha una interfaccia compatibile SPI/QSPI/MICROWIRE ad alta velocità.
(Data sheets and application notes disponibili su: http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3997/t/qv#Applications%2FUses )
11. MAX1168 (Maxim) è molto simile al MAX1167, ma ha 8 canali. Ha un ingresso per selezionare il trasferimento dei dati a 8 o 16 bit. (Data sheets and application notes disponibili su: http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3997/t/qv#Applications%2FUses)
12. MAX1300 (Maxim) è un A/D a bassa potenza e ad approssimazioni successive. Ha 8 (single- ended) o 4 (true differential) canali di ingresso analogici.
(Data sheets and application notes available su: http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4943)

13. CS5340 (Cirrus Logic) è un A/D completo per sistemi audio digitali. Non ha bisogno di un filtro esterno anti-aliasing grazie ad un modulatore delta sigma multi bit del quinto ordine seguito da un filtraggio digitale.
(Data sheets and evaluation board disponibili su: http://www.cirrus.com/en/products/pro/detail/P1028.html)

14. CS5341 (Cirrus Logic) è un A/D molto simile al CS5340. E' ideale per sistemi audio che richiedono un largo range dinamico, distorsione trascurabile e basso rumore. (Data sheets and evaluation board disponibili su: http://www.cirrus.com/en/products/pro/detail/P1029.html)
15. CS5361 (Cirrus Logic) è un A/D con una architettura differenziale che fornisce un notevole abbattimento del rumore. (Data sheets and evaluation board disponibili su: http://www.cirrus.com/en/products/pro/detail/P1001.html)
16. CS5381 (Cirrus Logic) è un A/D specifico per l'audio. I suoi pin sono compatibili con quelli del CS5361, ha una architettura analogica differenziale e una bassa latenza per il filtraggio digitale.(Data sheets and evaluation board disponibili su: http://www.cirrus.com/en/products/pro/detail/P1024.html)

Sicuramente alcuni degli A/D su menzionati sono "sprecati" per il mio progetto, nel senso che hanno prestazioni ben più alte di quanto mi serve, ma non importa perché è solo un passatempo. Giusto per avere una idea sul prezzo di un A/D ho dato una occhiata al catalogo della Farnell (www.farnell.com) e ho trovato, per esempio, che l'AD1877 costa € 14,30.
Per concludere questo articolo riassumiamo alcune delle principali caratteristiche degli A/D suddetti.

TABELLA