פתרון חלק האות 6: ההשפעות של רעש מגבר על ADCs דלתא סיגמא

חדש! חדש! סוד האותיות העבריות ושם האדם חלק ח הרב זמיר כהן חובה לצפות!!! (מאי 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

פתרון חלק האות 6: ההשפעות של רעש מגבר על ADCs דלתא סיגמא


סדרה זו של 12 חלקים מתמקדת בהשפעת הרעש על ADCs של דלתא סיגמא. חלק 6 של פתרון סדרת האות מתמקד ברעש הפלט לעומת הקלט שהוזן, ומוסיף מגבר בקלט של ADC, ו- ADCs נמוכים לעומת רזולוציה גבוהה כאשר הם מתייחסים לרעש מגבר.

ברכישת נתונים רבים (DAQ) מערכות, לוקח מדידות דיוק של אותות קלט ברמה נמוכה הוא אתגר עיצוב משותף. לדוגמה, יישומים אוטומציה רבים במפעל להשתמש בקרי לוגיקה לתכנות (PLC) כדי לקבל החלטות המבוססות על חיישן טמפרטורה או לטעון תא קריאה. כמו כן, פלטפורמות קידוח נפט משתמשות במודלי זרימה בלחץ תעשייתי כדי לקבוע - במדויק מיליליטר - כמה נפט מוסר מבאר.

כדי למדוד משתנים אלה התהליך, סוגים רבים של ציוד קצה להעסיק חיישנים אנלוגיים כגון גלאי טמפרטורת ההתנגדות (RTDs), צמדים תרמיים או גשרים התנגדות. חיישנים אלה בדרך כלל פלט אותות ברמה נמוכה מאוד כי צריך להיות שנצברו מעל רצפת הרעש של מערכת DAQ. בנוסף, מהנדסים עשויים להשתמש רווח להגדיל טווח דינמי על ידי שימוש יותר של טווח אנלוגי ל-דיגיטלי דיגיטלי (ADC) טווח מלא (FSR). בכל מקרה, הוספת רווח לכל מערכת אנלוגית דורשת בדרך כלל מגבר, שעשוי להיות רכיב דיסקרטי או משולב באחד מרכיבי שרשרת האות, כגון ADC.

כמו עם הכנסת כל רכיב למערכת חשמל, מגברים אלה לתרום רעש. כיצד משפיע הרעש על מערכת "פתירת האות" של סדרת מאמרים המבקשים לענות על שאלה זו על ידי מתן הבנה מעמיקה של רעש המגבר וכיצד הוא משפיע על שרשרת אותות טיפוסית.

חלק 6 מתמקד בנושאים אלה בהתייחס לרעש מגבר:

  • פלט לעומת רעש.
  • הוספת מגבר בקלט של ADC.
  • נמוך לעומת רזולוציה גבוהה ADCs.

חלק 5 המשיך לחקור רוחב פס רעש יעיל כפי שהוא מתייחס ADCs דלתא סיגמא ועיצוב ברמת המערכת. חלק 7 יציע דוגמה עיצוב מפורט באמצעות ADCs זמינים מסחרית כדי להשלים ולהרחיב על התיאוריות בחנו במאמר זה.

פלט לעומת הפניה רעש הפניה

רעש המכונה פלט - או רעש המכונה הפלט, V N , RTO - הוא הרעש הנמדד בפלט של ה- ADC, כפי שמשתמע ממנו. נזכיר מהחלק השני של הסדרה, כי שיטה אחת שבה משתמשים יצרני ADC כדי לאפיין רעש ADC היא לקצר את תשומות המכשיר יחד ולמדוד את הרעש בפלט כדי לקבוע את הרעש הפנימי של ה- ADC, כפי שמוצג באיור 1.

איור 1. מדידת רעש המכונה פלט

עם זאת, גם לזכור כי הערך המדווח בפועל בגיליון הנתונים הוא בדרך כלל קלט התייחס. בדומה לרעש הפלט, רעש המכוון - או רעש המכוון לקלט, VN, RTI - הוא הרעש בקלט של ADC. בניגוד לרעש המופעל בפלט, מחושב רעש המכוון באמצעות קלט, לא נמדד. עבור ADC ללא שלב אינטגרציה משולב, רעש הקלט המצוין שווה לרעש המכונה פלט, כפי שמוצג במשוואה 1:

משוואה 1

מדוע יצרני ADC מציינים את הרעש כנקודת התייחסות ולא בפלט? כדי לענות על שאלה זו, זה עוזר ליצור מודל רעש מעגל שווה על ידי הפרדת ADC מן הרעש שלה לתוך ADC "ללא רעש", קודמת על ידי מקור מתח שווה רעש ADC של קלט, כפי שמוצג באיור 2.

איור 2. ADC ללא רעש קדמו מקור רעש השווה לרעש של ADC

עכשיו, כאשר אתה קלט אות אמיתי לתוך ADC, קל לראות שאתה רוצה הרעש ADC להיות מאופיינות כקלט, כי זה מגדיר את רזולוציית קלט של המערכת. למעשה, אות הקלט "מתחרה" ברעש שהוזן על ידי הקלט: אם המשרעת של האות גדולה מרעש הקלט, תוכל לצפות בו; אחרת, האות ייקבר ברעש ולא תוכל לצפות בו.

בסופו של דבר, אם אתה יודע את האות הקלט הקטן ביותר שאתה צריך לפתור, את הרעש מתייחס קלט מהר מאוד ובקלות אם ADC מסוים יכול לספק את ההחלטה הדרושה. ובעוד זה פחות חשוב עבור ADCs עצמאיים שבו רעש הפלט פלט שווה רעש קלט, מה קורה אם תוסיף מגבר לתוך נתיב האות?

הוספת מגבר לקלט של ADC

כדי לנתח את ההשפעה של המגבר על רעש המערכת הכולל, אתה יכול להפריד אותו ממקור הרעש שלה בדיוק כפי שעשית עבור ADC. במקרה זה, אתה יכול לדגמן את זה כמו מגבר ללא רעש שקודם על ידי מקור מתח שווה רעש של המגבר, VN, AMP, שמוצג באיור 3. בנוסף, ניתן להניח שמקור הקלט (V SIGNAL ) הוא ללא רעש, אם כי in לתרגל את השלב לשלב יגביר כל רעש חיישן.

איור 3. מגבר ללא רעש ו- ADC ללא רעש עם מקורות רעש נפרדים המופנים לקלט

מכיוון שאינך יכול למדוד ישירות את רעש הקלט שהוזן, עליך לקבוע תחילה את רעש הפלט של המערכת המוצגת באיור 3. בהנחה שמגבר הרעש וה - ADC אינם מתואמים, קח את סכום השורש (RSS) של שני הערכים כדי לקבוע את סך רעש הפלט.

תופעת לוואי מצערת של השגת אות הקלט היא שאתה גם מרוויח את הרעש של המגבר. כתוצאה מכך, אתה צריך קודם כל להגביר את רעש המגבר על ידי הרווח של המגבר, GAMP. משוואה 2 מציגה את הרעש הנובע מפלט:

משוואה 2

כעת אתה יכול להשתמש במשוואת רעש זו המופיעה בפלט ולהפוך אותה למקור רעש שווה-ערך עבור המערכת. כדי להשיג זאת, תחילה לפשט את תרשים המעגל בתרשים 3 לאחת עם מודל רעש מעגל מקביל המשלב את שני מקורות רעש לתוך מקור אחד קלט קלט אל (VN, RTI). זה גם מפשט את הניתוח שלך על ידי ומאפשר לך לקבוע אם שרשרת האות פשוטה (ADC + מגבר) יש רזולוציה מספיק עבור היישום שלך.

איור 4. רכיבים ללא רעש עם מקור אחד הכולל קלט רעש

כדי לחשב את הרעש שמקבל הקלט מרעש הפלט, חל על כל טווח רעש בנפרד על ידי רווח המעגל, GAMP, כפי שמוצג במשוואה 3:

משוואה 3

שים לב למיקום של מושג הרווח, GAMP, הן במשוואות 2 והן ב -3. במשוואה 2, רעש המגבר פרופורציונלי לרווח, בעוד שבמשוואה 3 הרעש של ADC פרופורציונלי להופכי הרווח. בשני המקרים, בהינתן רעש מגבר גדול מספיק ורעש מגבר דומה, הרעש של ADC הופך לזניח. הרעש המתקבל כתוצאה מכך תלוי לחלוטין ברעש המגבר, הניתן על ידי משוואה 4. זה נכון אם המגבר משולב ב- ADC או שהוא רכיב נפרד.

משוואה 4

מה אם תוסיף מגברים נוספים בשרשרת האות, כמו באיור 5? אתה יכול להוסיף מגברים נפרדים מרובים או ADC עם מגבר משולב, כמו גם מגבר חיצוני.

איור 5. מגברים ללא רעש ו- ADC ללא רעש עם מקורות רעש נפרדים, מכוונים לקלט

כפי שעשית קודם לכן, שלב את כל תנאי הרעש הללו במקור רעש אחד שמקורו בקלט עם מודל רעש מעגל שווה, שמוצג באיור 6.

איור 6. מספר מגברים ללא רעש בקלט של ADC עם מקור קול אחד הכולל קלט

ניתן להשתמש בתרשים 6 ובמשוואות 2 ו -3 כדי לקבוע את הרעש שהוזנה עבור שרשרת האות המורחבת הזו עם מספר n של מגברים, המיוצגים על ידי משוואה 5:

משוואה 5

כמו בדוגמה הקודמת, משוואת הרעש החדשה הנקראת קלט תלויה בתרומת הרעש של כל המכשירים בשרשרת האות. עם זאת, כל טווח הוא scaled על ידי ההופכי של המוצר של כל הרווחים מגבר, ומשאיר רק את הראשוני טווח - רעש מתח המגבר הראשון - עצמאית של רווח.

בדומה למשוואה 4, משמעות הדבר היא כי עם רווח גדול של השלב הראשון, כל שאר המונחים במשוואה 5 מתקרבים באופן יעיל לאפס, ומשאירים את הרעש המכוון של המערכת תלוי ברעש המגבר הראשון בלבד. לכן, לקבלת ביצועים מיטביים בתצורות מגבר יחיד ומולטיסטג ', בחרו מגבר בעל רעש נמוך בשלב ראשון עם רווח גדול.

כמו משוואה 4 משתמע, ההשפעה של בחירה זו אינה שווה עבור כל ADCs. למעשה, אתה יכול זוג ADC ברזולוציה נמוכה יותר עם מגבר רעש גבוה יותר, או להשתמש רווח גדול ועדיין לענות על הביצועים הנדרשים רעש המערכת. יתר על כן, ADC ברזולוציה גבוהה יותר לא יכול לראות שום השפעה אפילו עלייה מתונה רווח.

בואו ננתח את המסקנות האלה עוד יותר על ידי הסתכלות על ADS114S08 של 16 סיביות בהשוואה ל- ADS124S08 של 24 סיביות. שני אלה ADCs יש רזולוציות שונות אבל הם זהים אחרים, כולל מגבר רווח משולב לתכנות (PGA) עם רעש מגבר אותו. קווי הדמיון שלהם מאפשרים לך לנתח כיצד החלטות ה- ADC השונות משפיעות על רעש המערכת כשינויים.

נמוך ADCs נמוכה לעומת רזולוציה גבוהה

איור 7 מציג את הרעש שהוזן על-ידי קלט הן עבור ADS114S08 והן עבור ADS124S08 במרווחים של 1V / V ו- 2V / V ועבור כל הנתונים הזמינים. אם אתה בוחר כל קצב נתונים - 50SPS, למשל - ולקחת את היחס של רעש שהוזנו קלט על רווחים אלה, תקבל כ 2 עבור שני ADCs. במילים אחרות, ככל שהרווח עולה על ידי גורם של 2, הרעש בו זמנית יורד על ידי גורם של 2. במקרה זה, הוספת רווח משפר את ביצועי רעש המערכת הן עבור (24 סיביות) והן ברזולוציה נמוכה יותר (16 -bit) ADCs.

איור 7. רעש הנקרא קלט (μV RMS (μV PP )) טבלאות המציגות G = 1 ו- 2V / V - SINC3, AVDD = 3.3V, AVSS = 0V, PGA מאופשר,

השווה את זה לאיור 8, אשר מציג את אותם חישובים באמצעות הרווחים הגבוהים ביותר של 64V / V ו 128V / V. הנה, את ADC ברזולוציה נמוכה יש לשמור על יחס של 2, ואילו היחס עבור ADC ברזולוציה גבוהה ירד ל כ 1. במקרה האחרון, הגדלת רווח כבר לא משפר את ביצועי הרעש. מה גורם לשינוי זה?

איור 8: רעש המצוין בקלט (μV RMS (μV PP )) טבלאות המראות G = 64 ו- 128 V / V - SINC3, AVDD = 3.3V, AVSS = 0V, PGA מאופשר,

עבור ה- ADC בעל רזולוציה נמוכה (ADC), היחס המתמיד בין הרווחים נובע מרמות גבוהות של רעש ADC בהשוואה לרעש מגבר. במקרה זה, המצב המצוין במשוואה 4 אינו מתקיים, שכן רעש ADC גדול בהרבה מרעש המגבר. הרעש של ADC יורד בכל פעם שאתה מגדיל את הרווח בפקטור של 2, אך גם ברמה הנמוכה ביותר שלו (G = 128V / V), הרעש ADC עדיין שולט בהשוואה לרעש המגבר. לכן, אתה אף פעם לא באמת "רואה" את רעש המגבר במדידה, מה שהופך את שרשרת האות הספציפית הזו תלויה פחות בביצועים של המגבר ומאפשר לך לשפר באופן פוטנציאלי את ביצועי הרעש באמצעות ערכי רווח גדולים יותר.

עבור ADCs בעלי רזולוציה גבוהה יותר (תרמית-רעשנית), ההפך הוא הנכון, למרות שגם ה- ADC משתמשים באותו מגבר. במקרה זה, הרעש של ADC נמוך בהרבה בהשוואה לרעש המגבר מוכפל ברווח, ולכן הוא עונה על המצב במשוואה 4. כתוצאה מכך, VN, RTI הופך למעשה לקבוע, וכתוצאה מכך כמעט ללא שינוי ברעש שקלט ביצועים למרות רווח הולך וגדל. בנסיבות כאלה ביצועי מגבר הם קריטיים, ובמקרים רבים באמצעות מגבר התוצאות ברזולוציה מערכת גרועה יותר מאשר מערכת ללא מגבר בכלל.

כדי לחקור את הנקודות הללו בפירוט רב יותר, קרא את חלק 7 של "פתרון האות" שבו אני אעבור דרך דוגמה עיצובית המוסיפה מגברים חיצוניים שונים לקלט של ADC ברזולוציה גבוהה אחת ומשווה את ביצועי הרעש במערכת של כל שילוב.

המנות העיקריות

הנה סיכום של נקודות חשובות כדי לעזור להבין טוב יותר כיצד רעש מגבר משפיע על ADCs דלתא סיגמא:

  • עבור שרשראות אותות ללא רווח, רעש שמקורו בפלט = רעש שמקבל קלט.
  • פלט המכונה רעש = נמדד; רעש המכונה-קלט = מחושב.
    • רעש הנקרא קלט מייצג את רזולוציית הקלט של המערכת.
  • רעש המגבר של השלב הראשון שולט ברעש הקלט של המערכת (בהנחה של ערכי רעש של רכיבים דומים ורווח גדול בשלב ראשון).
    • שימוש ברזולוציה גבוהה (רעש נמוך) ADC עם מגבר רועש משפיל את ביצועי המערכת.
  • לקבלת ביצועי הרעש הטובים ביותר, השלב הראשון מוגדר בדרך כלל כמגבר רווח נמוך, אות קטן.

מאמרים בתעשייה הם סוג של תוכן המאפשר לשותפים בתעשייה לשתף חדשות שימושיות, הודעות וטכנולוגיה עם כל המעגלים על הקוראים בתוכן העריכה דרך היא לא מתאימה. כל מאמרים בתעשייה כפופים קפדנית הנחיות העריכה מתוך כוונה להציע לקוראים חדשות שימושיות, מומחיות טכנית, או סיפורים. נקודות המבט ודעות לידי ביטוי בתעשייה מאמרים הם אלה של השותף ולא בהכרח אלה של מעגלים על כל או סופרים שלה.