Anonim

ADC: t ovat tärkeässä asemassa lämpötilan, jännitteen, virran ja muiden reaalimaailman signaalien mittauksessa kannettavissa ja avaruudessa rajoitetuissa malleissa. Yksi mikro-ohjaimiin upotettujen ADC-laitteiden suurimmista ongelmista on, että tärkeitä tasavirta-eritelmiä, kuten lineaarisuutta, offset-virheitä ja kohinaa, ei usein taata, niitä ei testata tai niitä ei edes luetella. Vaikka mikro-ohjaimilla voi olla vaihtoehto sisäiselle 12-bittiselle peräkkäiselle lähentämisrekisterille (SAR) ADC tai 16-bittiselle delta sigma ADC: lle, suunnittelijat jäävät arvaamaan, kuinka hyvä suorituskyky todella on.

Mikrokontrollerit integroivat ytimeensa joukon toimintoja, mukaan lukien digitaaliset kellot, ajastimet, muisti ja sadat rekisterit. Mikrokontrollereille, jotka sisältävät ADC: t, pitkässä lomakkeessa navigointi ADC-suorituskyvyn osoittamiseksi on vaikea tehtävä.

Hyvän ADC-suorituskyvyn saavuttaminen laboratoriossa voi olla yhtä vaikeaa. ”16-bittinen ADC” voi toimia paljon enemmän kuin 10-bittinen tai 12-bittinen ADC. ADC: n maadoitetut ja negatiiviset vertailulähteet tulevat tyypillisesti samasta meluisasta substraatista kuin muu mikrokontrolleri.

n

Näitä mikrokontrollereita ei ole optimoitu analogisiin mittauksiin digitaalisesti optimoitujen prosessiensa vuoksi. Mikrokontrollerissa ei ehkä ole optimaalista reititystä hyvälle ADC-suorituskyvylle. Valitettavasti ADC: llä ja muilla piireillä on yhteinen piisubstraatti.

Vaihda alemman resoluution ADC ja vahvistin
Mikrokontrollerin upotetun ADC: n käytön lisäksi toinen tapa, jolla avaruuteen rajoitetut suunnittelijat yrittävät säästää rahaa ja eristää anturin ADC: stä, on käyttää pientä, matalan resoluution ADC: tä. Ne kiertävät ADC: n rajoituksia vahvistamalla tuloa anturilta (kuva 3a), mikä puolestaan ​​alentaa ADC: stä tarvittavaa resoluutiota ja lisää anturin näkemää kuormitusimpedanssia.

Monet anturit antavat vain pienen herätejännitteen, usein alueella 10 - 100 mV. Nämä sovellukset edellyttävät kykyä mitata muutaman mikrovoltin tai muutaman sadan mikrovoltin ero tällä 100 mV alueella.

Pienet viritysjännitteet voivat olla hyvin lähellä maata tai jollain tavallisen tilan jännitteillä maan ja positiivisen virran välillä. Suurimman resoluution saavuttaminen tästä pienestä alueesta anturilla on haaste. Jokainen vahvistuskerroin kaksinkertaistaa vahvistimen ulostulon x2. Tämän ansiosta ADC: llä on puolet tarkkuudesta, mitä se tarvitsee, jos se liitettäisiin suoraan anturiin (mikä tarkoittaa, että tarvitset yhden vähemmän tarkkuutta ADC: ssä).

Kuvio 3a kuvaa yksityiskohtaisesti yhden lähestymistavan pienjänniteanturin mittaamiseksi. Vahvistin A1 vahvistaa signaalin 16: lla ennen liitäntää 12-bittiseen ADC: hen. Vahvistin vähentää ADC: n tarvitsemaa herkkyyttä 16x tai 4 bittiä (24). Siten kuvion 3a järjestelmän resoluutio on sama kuin suoraan anturiin kytketyn 16-bittisen ADC: n järjestelmän resoluutio. Olettaen, että anturin maksimilähtöjännite on 0, 25 V, vahvistin A1 antaa 4 V: n virran. Perustuen 5 V: n jännitteeseen ja yksinapaiseen 0 - 5 V: n sisäänsyöttöalueeseen, 12-bittinen ADC voi nyt käyttää 80 prosenttia sen syöttöalueelleen viiden prosentin sijasta.

Vahvistimen ja alhaisemman resoluution ADC: n käytöllä on kuitenkin monia haittoja. Ensin vahvistimen offset-jännite (Vos) lisää virhetermin suoraan anturimittaukseen. Toiseksi vahvistusasetusvastusten toleranssi lisää piiriin toisen virhelähteen. Nämä virhelähteet voivat koota nopeasti.

Kolmanneksi vahvistin ja vahvistusvastukset lisäävät suunnittelun kokonaiskokoa. Ja neljänneksi, suunnittelijoiden on oltava tietoisia vahvistimen yhteisen tulotilan ja lähtöäänen rajoituksista. Toisin sanoen, vaikka vahvistin voidaan merkitä ”kiskojen ja kiskojen ulostulona”, lähtöjännite ei koskaan pääse 1 - 100 mV: n välille maan sisällä ja positiiviseen syöttöön, kuormasta riippuen.

Esimerkiksi Linear Technologyn LTC2450 kehitettiin sallimaan suunnittelijoiden liittää korkearesoluutioinen ADC suoraan anturiin (kuva 3b sivulla 22) kärsimättä kustannuksia tai eristystä. Koska 16-bittisestä puuttuvasta koodin suorituskyvystä, ADC voi mitata anturin 0, 25 V: n alueen samalla tehokkuudella kuin kuvan 3a 12-bittinen ADC plus vahvistin A1.

Sen lisäksi, että LTC2450: n 0V - Vcc-sisäänsyöttöalue pystyy mittaamaan pienen 0, 25 V: n anturin, se mahdollistaa myös yksipäisten signaalien mittauksen 5 V: n saakka. Tämän avulla datamuunnin voi tuottaa tarkan digitaalisen esityksen laajalla dynaamisella tulosignaalien alueella. Kun poistat vahvistimen ja sen vahvistusasteen, ei tarvitse murehtia vosista, vastuksen kohinasta tai toleranssista. Vahvistimen ja vastuksien korttipaikkaa ei enää tarvita, eikä myöskään tarvetta vastusten ja ajo-osien sovittamiseen ole kadonnut.

Anturin impedanssi
Toinen ongelma anturisignaaleja mittaaville suunnittelijoille voi olla anturin impedanssi, joka voi vaihdella muutamasta ohmista muutamaan kilohmiin megaohmiin. Suurimman osan ADC: ien tuloarkkitehtuuria ei ole asetettu mittaamaan tarkasti korkean impedanssin antureiden lähtöjä, pakottaen suunnittelijat lisäämään puskurin anturin ja ADC: n väliin. Jälleen kerran sinun on huolehdittava offset-virheestä, levytilasta ja puskurin hinnasta.

LTC2450: n syöttörakenne tarjoaa mahdollisuuden liittää ADC suoraan antureihin muutaman killiohmin saakka vaikuttamatta suorituskykyyn. Olettaen, että ADC: n 5 V: n syöttö, jokainen 16-bittisen ADC: n merkitsevä bitti (LSB) on 5V / 65 536 (76µV). LTC2450: n tulonäytevirta on erittäin pieni ja tyypillisesti vain 50nA. Lähdeimpedanssi voi siten olla jopa 1, 5 k ennen tarkkuuden heikkenemistä yli 1LSB (76µV / 50nA = 1, 5kohm).
Antureille, joiden impedanssi on suurempi kuin 1, 5kohm, kuvan 3b (sivu 22) virtapiiriä voidaan helposti muuttaa lisäämällä vahvistin, jolla on pieni esijännitevirta, kuten LTC6078, jolla on enimmäisarvo 1 pA lähtövirta huoneenlämpötilassa. Yksi sellainen esimerkki on pH-anturi, jonka impedanssi on suurempi kuin muutama megaohmi. Jos oletetaan, että anturin impedanssi on 5Mohm, ja vahvistimen tulon biasvirta on 1pA, tuloksena oleva virhe on 5µV (5MO x 1pA). Tämä virhetermi on edelleen selvästi alle 1LSB 16-bittisellä tarkkuustasolla (76µV), mikä varmistaa suunnittelijoille tarkan ja vakaan mittauksen pH-anturista.

johtopäätös
Kun suunnittelijat yrittävät jatkuvasti tehdä enemmän pienemmässä tilassa, pienentämällä samalla budjettiaan, haasteet kohtaavat. Sulautetulla ADC: llä varustetut mikrokontrollerit ja muut halvat matalan resoluution ADC: t voivat olla helppo tapa seurata analogisia signaaleja, kuten jännitettä, virtaa tai lämpötilaa. Mutta kun tutkit tarkemmin, virhelähteet ja suunnittelukoko voivat kasvaa ja tehdä siitä vaikean saada tarkka lukema.