Convertitori A/D SAR a elevata precisione per misure accurate e inseguimento veloce del segnale

Attualmente nel settore dei convertitori A/D di precisione predominano quelli delta-sigma grazie alla loro elevata gamma dinamica e precisione delle prestazioni CC nonché al prezzo ragionevole a cui sono disponibili. Un convertitore A/D delta-sigma è progettato in modo da sovracampionare il segnale d’ingresso mediante un modulatore delta-sigma seguito da un filtro di decimazione digitale; ne risultano bassi livelli di rumore ma anche basse velocità di trasmissione dati all’uscita. Un ulteriore vantaggio del sovracampionamento è la possibilità di semplificare notevolmente il filtro anti-aliasing analogico esterno, affidandosi a un filtro digitale per determinare la risposta in frequenza nella banda passante. 

Introduzione

La tecnologia dei moderni convertitori A/D (al seguente link una panoramica di articoli sui convertitori ADC) con registro ad approssimazioni successive (SAR) sviluppata da Linear Technology assicura prestazioni superiori in applicazioni di precisione, reggendo al confronto dei migliori convertitori A/D delta-sigma per quanto riguarda le specifiche CC (errore di non linearità integrale, non linearità differenziale, offset, errore di guadagno e stabilità), mentre garantisce frequenze di campionamento elevate e funzionamento senza latenza. I convertitori A/D SAR a campionamento veloce vengono impiegati spesso per sovracampionare segnali a ridotta larghezza di banda. Il sovracampionamento tradizionale consente l’uso di un filtro di decimazione (filtro passa basso + sottocampionamento), che amplia la gamma dinamica del sistema. Un altro vantaggio del sovracampionamento consiste nei requisiti meno rigorosi sul filtro anti-aliasing analogico. In assenza di sovracampionamento, è necessario che tale filtro presenti un roll-off ripido (una banda di transizione brusca) e quindi diventa più complesso. In alternativa, il sovracampionamento consente l’uso di un semplice filtro analogico di ordine basso in combinazione con un filtro digitale per creare un filtro anti-aliasing equivalente a modalità mista con un roll-off molto ripido. Purtroppo ciò comporta che il compito di eseguire il filtraggio ricade sul processore host, ed è necessario quindi un processore più veloce per acquisire i dati a una velocità molto più alta a partire dall’uscita del convertitore A/D.

Per questi motivi, Linear Technology sta applicando un approccio diverso al settore dei convertitori di precisione, riunendo l’elevata precisione e velocità dell’architettura dei convertitori A/D SAR di proprietà riservata e filtri digitali integrati. I modelli più recenti sono LTC2508-32 e LTC2512-24. Il primo è un convertitore A/D SAR da 1 Msps a 32 bit che integra un filtro digitale preconfigurabile ottimizzato per applicazioni di precisione a ridotta larghezza di banda, mentre LTC2512-24 è un convertitore AD SAR da 1,6 Msps a 24 bit che integra un filtro digitale ottimizzato per applicazioni a larghezza di banda più ampia. Il convertitore LTC2508-32 offre una straordinaria gamma dinamica di 145dB alla velocità di uscita minima di 61sps, mentre l’LTC2512-24 assicura 117dB a una velocità di uscita di 50ksps.

Caratteristiche

Un aspetto fondamentale dei convertitori A/D delta-sigma è l’impossibilità di usare direttamente l’uscita del modulatore, poiché si tratta di un segnale a bassa risoluzione con rumore di quantizzazione filtrato mediante noise-shaping e rapporto segnale/rumore molto basso. Per sottoporre a noise-shaping il rumore di quantizzazione di un modulatore delta-sigma si impiegano varie tecniche, spostando il rumore a una frequenza più alta affinché sia filtrabile più facilmente, mentre i segnali che interessano occupano frequenze inferiori nella banda passante del filtro. L’uscita del modulatore viene quindi trasferita a un filtro passa basso per produrre risultati della conversione utili. Purtroppo, a causa della natura della sua architettura, un modulatore delta-sigma soffre di segnali spuri nello spettro di uscita, che nonostante quanto si tenti di fare per prevenirli, possono comparire (e in effetti compaiono) nella banda passante.  In presenza di questi segnali spuri, individuare un segnale di piccola intensità può essere quasi impossibile.

I convertitori A/D SAR non soffrono di questo problema e presentano uno spettro di potenza del rumore bianco quasi ideale, il che li renderebbe una scelta migliore per la rilevazione di segnali o vibrazioni a livelli di energia incredibilmente bassi. Tuttavia, molti convertitori A/D SAR soffrono di discontinuità nella funzione di trasferimento CC al livello da 16 a 18 bit, compromettendo quindi le prestazioni CC. I convertitori LTC2508-32 e LTC2512-24 presentano ottime caratteristiche di linearità, senza che manchi alcun codice, il che consente alle applicazioni di sfruttare al meglio la straordinaria gamma dinamica dei dati di uscita filtrati.  Con una densità spettrale del rumore pari a soli 22nVeff/√Hz, l’LTC2508-32 funziona con il livello minimo di rumore rispetto a qualsiasi convertitore AD di altre marche a risoluzione di 24 o 32 bit (Figura 1).

A differenza dell’uscita di un modulatore delta-sigma, l’uscita di questo convertitore SAR di Linear Technology presenta una densità spettrale della potenza del rumore costante, senza alcun segnale spurio che possa causare problemi. Il filtro digitale può quindi essere progettato in modo arbitrario per soddisfare i requisiti dell’applicazione finale, anziché per filtrare i segnali spuri e il rumore del modulatore. Il filtro dell’LTC2508-32 è basato su un’architettura a “spread-sinc”, che rappresenta un bilanciamento scelto con attenzione fra reiezione della banda di arresto e tempo di assestamento. Il filtro digitale LTC2512-24 ha una planarità “senza compromessi” nella banda passante – 0,001dB – che si estende sino a fo/4 (metà di una zona di Nyquist). L’attenuazione nella banda di arresto e la zona di transizione del filtro dell’LTC2512-24 sono meno spinte rispetto a molti filtri delta-sigma, consentendo un tempo di assestamento più breve e artefatti di ampiezza minore nel dominio del tempo. Una volta di più, è l’assenza di segnali spuri che rende pratico un tale filtro.

Il convertitore LTC2508-32 offre quattro filtri di decimazione, selezionabili tramite pin e le cui proprietà sono elencate nella Tabella 1, che consentono ai progettisti di stabilire compromessi fra il rumore e la larghezza di banda a seconda della scelta dell’applicazione. Per ciascuna configurazione dell’LTC2508-32, il filtro digitale è un filtro passa basso, con risposta all’impulso finita e risposta di fase lineare, la cui uscita viene quindi sottocampionata in base al corrispondente fattore di sottocampionamento (DF). La frequenza dati all’uscita che ne risulta (fO) è quindi uguale a fSMPL/DF. Per ciascuna scelta del filtro di decimazione, la larghezza di banda a -3dB è inversamente proporzionale al valore DF selezionato. Ciascuna configurazione fornisce un’attenuazione di almeno 80dB per frequenze nell’intervallo da fO /2 a fSMPL – fO /2. Ogni volta che il fattore di sottocampionamento quadruplica, la gamma dinamica del convertitore A/D aumenta di circa 6dB, passando quindi da 131dB a DF=256 fino a 145dB a DF=16384. Questo è equivalente a un numero effettivo di bit (ENOB) pari a 24.

Si noti che è importante che il risultato del convertitore A/D sia limitato da un processo di rumore di qualità, ossia da rumore termico e non dal suo rumore di quantizzazione. Ciò significa che il convertitore A/D deve fornire almeno alcuni bit in più rispetto al valore ENOB, e con una parola di uscita a 32 bit, l’LTC2508-32 fornisce un numero di bit sufficiente per rappresentare i dati filtrati utilizzando un numero intero di byte.

Tabella 1: proprietà dei filtri dell’LTC2508-32

Tabella 1: proprietà dei filtri dell’LTC2508-32

L’uscita dell’LTC2508-32 risulta sempre completamente assestata con 10 campioni di uscita, indipendentemente dal valore DF. All’aumentare del fattore di sottocampionamento, la larghezza di banda diminuisce, limitando il rumore e quindi aumentando la gamma dinamica. Con un fattore di sottocampionamento pari a 256, la larghezza di banda a -3dB dell’uscita filtrata è uguale a 480Hz, così che la velocità dati all’uscita è di 3906sps. Al massimo valore di DF, 16384, la larghezza di banda a -3dB è ridottissima – appena 7,5Hz – assicurando il massimo filtraggio del rumore e infine la minima velocità dati all’uscita, 61sps.

Figura 1: risposta al gradino dell’LTC2508-32

Figura 1: risposta al gradino dell’LTC2508-32

Inoltre, l’LTC2508 offre due flussi di uscita dati: la versione ottenuta con il filtro digitale a 32 bit del segnale d’ingresso e un’uscita composita a 22 bit, senza latenza, direttamente dal convertitore SAR front-end. La parola dell’uscita senza latenza consiste di un codice a 14 bit che rappresenta l’ingresso differenziale e di un codice a 8 bit che rappresenta la tensione di modo comune all’ingresso. L’uscita senza latenza è particolarmente utile nel controllo di applicazioni, per l’inseguimento veloce del segnale d’ingresso e per fornire immediatamente un segnale di retroazione al variare delle condizioni di carico.

Inoltre è utilizzabile per monitorare la qualità del segnale d’ingresso e indicare problemi del sistema, ad esempio, rilevando segnali oscillanti o eccessivamente rumorosi che potrebbero essere nascosti dal filtro digitale. Queste informazioni possono essere usate in combinazione con il valore di modo comune a 8 bit per la manutenzione predittiva. Variazioni della tensione di modo comune possono indicare problemi a monte, che comportano il rischio di guasti all’apparecchiatura. Al progettista, questo dispositivo appare come due convertitori A/D in uno, offrendo rappresentazioni perfettamente adattate del segnale d’ingresso che non sono soggette a problemi di disadattamento o deriva.

Il convertitore LTC2512-24 è simile sotto molti aspetti all’LTC2508-32, con quattro filtri di decimazione selezionabili tramite pin, come illustrato nella Tabella 2. La Figura 2 mostra l’andamento dell’ampiezza del filtro digitale dalla continua a fO, la frequenza dati all’uscita. Sono possibili fattori di sottocampionamento da 4 a 32; la gamma dinamica migliora quindi di 3dB ogni volta che il fattore di sottocampionamento raddoppia. Il modello LTC2512-24 ha la stessa uscita a codice composito a 22 bit, fornendo una rappresentazione in tempo reale, quasi ideale, del segnale d’ingresso. Con l’LTC2512-24, l’uscita risulta sempre completamente assestata con 35 campioni di uscita  

Tabella 2: proprietà dei filtri dell’LTC2512-24

Tabella 2: proprietà dei filtri dell’LTC2512-24

 

Figura 2: ampiezza della risposta in frequenza del filtro digitale dell’LTC2512-24 fO = fSMPL/ DF

Figura 2: ampiezza della risposta in frequenza del filtro digitale dell’LTC2512-24 fO = fSMPL/ DF

Conclusioni

Il convertitore LTC2508-32 si presenta come una soluzione eccellente per applicazioni sismiche e di esplorazione petrolifera e gassifera, nelle quali il convertitore AD deve rilevare segnali a livello estremamente basso ai quali è sovrapposto rumore. La larghezza di banda più ampia e la banda passante costante dell’LTC2512-24 possono essere più adatte per strumenti medici come l’elettrocardiografo, che traggono vantaggio dall’elevata gamma dinamica dell’uscita filtrata, mentre utilizzano l’uscita senza latenza per ottenere informazioni in tempo reale come la posizione delle sonde. Questi convertitori A/D sono ideali per applicazioni di precisione in cui si utilizzi un anello di controllo che deve rispondere velocemente a variazioni del segnale d’ingresso che non sarebbero subito visibili attraverso l’uscita filtrata, più lenta. Maggiori informazioni su questa famiglia di prodotti sono disponibili sul sito www.linear.com

 

A cura di Alison Steer, Product Marketing Manager for Mixed Signal Products, Linear Technology Corp.

 

 

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2 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 21 dicembre 2016
  2. Emanuele Bonanni Emanuele Bonanni 21 dicembre 2016

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