Практические проблемы проектирования фильтров и соображения для точности adcs

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Практические проблемы проектирования фильтров и соображения для прецизионных АЦП

Прецизионные аналого-цифровые преобразователи могут быть сложными. Вот несколько указателей, чтобы получить максимальную отдачу от них.

Введение

Прецизионные аналого-цифровые преобразователи широко используются во многих приложениях, таких как приборы и измерения, PLM, управление технологическим процессом и управление двигателем. Текущие SAR-АЦП достигают 18-бит или даже более высокого разрешения при x-MSPS, в то время как Σ-Δ ADC могут быть 24- или 32-битным разрешением при сотнях kSPS. Пользователям приходится сталкиваться с большими трудностями в ограничении шумов сигнальной цепочки, например, в применении фильтров, для использования высокопроизводительных АЦП без ограничения возможностей АЦП.

В этой статье рассматриваются проблемы проектирования и соображения, связанные с внедрением аналоговых и цифровых фильтров в цепочку сигналов АЦП для достижения оптимальной производительности. Как показано на фиг.1, цепочка сигналов сбора данных может использовать аналоговые или цифровые технологии фильтрации или даже комбинацию обоих. Поскольку прецизионные SAR и Σ-Δ ADC обычно отбираются в первой зоне Найквиста, эта статья будет посвящена фильтрам нижних частот. В этой статье речь не идет о конкретных методах проектирования фильтров нижних частот, а их применении в схемах АЦП.

Рисунок 1. Общая цепочка сигналов сбора данных

Идеальные и практичные фильтры

Идеальные фильтры нижних частот должны иметь крутую переходную полосу и отличную плоскостность усиления в полосе пропускания, как показано штриховой линией на кирпичной стене на рисунке 2. Кроме того, ослабление стоп-сигнала должно уменьшить любой остаточный внеполосный сигнал до нуля. Ответ некоторых часто используемых практических фильтров показан в цветных линиях на рисунке 2. Если коэффициент полосы пропускания не является плоским или имеет рябь, этот ответ может масштабировать основной сигнал. Затухание стоп-сигнала не бесконечно, что ограничивает экранирование шума вне диапазона. Также может быть переходная полоса без крутого спада, которая ухудшает шумовое затухание вокруг частоты среза. Кроме того, все неидеальные фильтры вводят фазовую задержку или групповую задержку.

Рисунок 2. Идеальный фильтр против практических фильтров

Аналоговый фильтр против цифрового фильтра

Аналоговый фильтр нижних частот может удалять высокочастотный шум и помехи от дорожки сигнала до преобразования АЦП, чтобы избежать загрязнения сигнала с псевдонимом. Он также устраняет эффекты перегруженных сигналов за пределы полосы пропускания фильтра, чтобы избежать насыщения модулятора. В случае перенапряжения входного сигнала аналоговый фильтр также ограничивает входной ток и ослабляет входное напряжение. Таким образом, он может защитить входную схему АЦП. Пики помех, поступающие на сигналы вблизи полной шкалы, имеют потенциал для насыщения аналогового модулятора АЦП. Они должны быть ослаблены аналоговыми фильтрами.

Поскольку цифровая фильтрация происходит после преобразования, она может удалить шум, введенный во время процесса преобразования. В реальных приложениях частота дискретизации намного выше, чем в два раза больше основной частоты сигнала, указанной теоремой Найквиста. Таким образом, можно было использовать постдискретичный фильтр для снижения шума (например, входной шум вне полосы пропускания сигнала, шум питания, опорный шум, подача шума через цифровой интерфейс, тепловой шум чипа АЦП или шум квантования), вводимый в процессе преобразования, используя технологии фильтрации для более высокого отношения сигнал / шум с еще более высоким разрешением.

В таблице 1 кратко перечислены преимущества и недостатки аналогового фильтра по сравнению с цифровым фильтром.

Таблица 1. Аналоговый фильтр против цифрового фильтра

Аналоговый фильтр	Цифровой фильтр
Сложность проектирования	Высокий для высокопроизводительных фильтров	Низкий
Стоимость	Высокий (в зависимости от выбранных аналоговых компонентов)	Низкий
Задержка	Низкий	Высокая
Добавочный шум	Добавляет тепловой шум компонента в полосе	Может вводить цифровой шум из-за квантования
Защита входа АЦП	да	нет
программируемый	нет	да
Ошибка дрейфа	да	нет
старение	да	нет
Ошибка многоканального совпадения	да	нет

Ограничения RC Antialias Filter Взаимодействие с интерфейсом ADC

В статье «Аналоговый диалог» «Передний усилитель и конструкция RC-фильтра для прецизионного аналого-цифрового преобразователя SAR» Алан Уолш представляет собой пример применения RC-фильтра для ADC AD7980, показанного на рисунке 3.

Рассчитанный RC-фильтр производит фильтр нижних частот с полосой отсечки 3.11 МГц. Однако некоторые разработчики могут понять, что 3.11 МГц намного больше входного сигнала 100 кГц, поэтому фильтр не может эффективно уменьшить шум вне диапазона. Для достижения более высокого динамического диапазона они могут заменить резистор 590 Ом, чтобы получить полосу пропускания 100 кГц, -3 дБ. С этим подходом возникают две основные проблемы. Поскольку в полосе пропускания будет больше затухания и до 30% затухания амплитуды около 100 кГц для примера AD7980 ADC, точность цепочки сигналов будет значительно уменьшена. Меньшая ширина полосы пропускания означает большее время установления, что делает внутренний образец AD7980 и удерживающий колпачок неспособным полностью зарядить в указанное время сбора для следующего допустимого преобразования. Это приводит к ухудшению точности преобразования АЦП.

Дизайнер должен убедиться, что RC-фильтр перед АЦП может полностью урегулироваться в течение времени сбора данных. Это особенно важно для прецизионных АЦП, требующих большего входного тока или имеющих эквивалентный меньший входной импеданс. Некоторые Σ-Δ АЦП имеют максимальные входные требования к значению RC в режиме без буферизации. Экстра узкие фильтры нижних частот с более крупными резисторами или колпачками, которые могут быть добавлены перед входным усилителем, который обычно имеет большой входной импеданс. В качестве альтернативы можно выбрать АЦП с очень высокими входными импедансами, такими как ADAS3022 с входным импедансом 500 МОм.

Рисунок 3. RC-фильтр с использованием AD7980 16-разрядный, 1 MSPS-АЦП

1. Время установления фильтра для мультиплексированной цепи сигнала выборки

Мультиплексированный входной сигнал обычно состоит из больших шагов при переключении между каналами. В худшем случае один канал имеет отрицательную полную шкалу, а следующий канал находится в положительной полной шкале (см. Рисунок 4). В этом случае размер шага ввода будет полным диапазоном АЦП, когда мультиплексоры переключают каналы.

Один фильтр после мультиплексора может использоваться для каналов, что упрощает проектирование и снижает стоимость. Как обсуждалось выше, аналоговые фильтры неизменно вводят время установления. Каждый раз, когда мультиплексор переключается между каналами, этот единственный фильтр необходимо перезаряжать до значения выбранного канала, тем самым ограничивая пропускную способность. Для более быстрой пропускной способности одним из фильтров для каждого канала перед мультиплексором может быть опция, но это связано с более высокой стоимостью.

Рисунок 4. Мультиплексированная цепочка входных сигналов

2. Полоса пропускания полосы пропускания и ограничение полосы пропускания перехода против шума

Приложения с высоким уровнем шума, особенно с высоким уровнем помех, возникающим вблизи края первой зоны Найквиста, требуют фильтров с агрессивным откатом. Однако, как известно для практических аналоговых низкочастотных фильтров, амплитуда скатывается с низкой частоты на высокую частоту и имеет переходную полосу. Дополнительные этапы фильтрации или заказы могут помочь улучшить плоскостность внутриполосных сигналов и сделать более узкую полосу перехода. Однако дизайн этих фильтров является сложным, потому что они слишком чувствительны к согласованию усиления, чтобы быть практичным при нескольких порядках величины затухания. Кроме того, любой компонент, такой как резистор или усилитель, добавленный в цепочку сигналов, будет вводить внутриполосный шум.

Рисунок 5. Идеальная полоса пропускания фильтра Баттерворта с разными порядками

Существует компромисс между сложностью и производительностью аналогового фильтра для некоторых конкретных приложений. Например, при защите реле линии электропередач с AD7606 каналы защиты имеют более низкие требования к точности для основного входного сигнала 50 Гц / 60 Гц и связанных с ним первых пяти гармоник, чем измерительные каналы. Для каналов защиты может использоваться один RC-фильтр первого порядка, тогда как RC-фильтр второго порядка обеспечивает лучшую внутриполосную плоскостность и более агрессивный переходный спад для измерительных каналов.

3. Задержка фазы и ошибка согласования для одновременной выборки

Дизайн фильтра - это не только дизайн частоты; пользователям также может потребоваться учитывать характеристики временной области и фазовый отклик аналоговых фильтров. Задержка фазы может быть критичной в некоторых приложениях реального времени. Изменение фазы становится еще хуже, если фаза изменяется в зависимости от входной частоты. Изменение фазы фильтра обычно измеряется в терминах групповой задержки. При непостоянной групповой задержке сигнал распространяется во времени, что приводит к плохой импульсной характеристике.

Для многоканальных одновременных приложений выборки, таких как измерение фазного тока в управлении двигателем или мониторинг линии электропередачи, также следует учитывать ошибку согласования фазовой задержки. Убедитесь, что ошибки согласования дополнительной фазовой задержки, вызванные фильтрами по нескольким каналам, незначительны или в пределах ошибки ошибки цепи сигнала в диапазоне рабочих температур.

4. Задачи выбора компонентов для низкого искажения и шума

Для низких гармонических искажений и приложений с низким уровнем шума пользователи должны выбирать квалифицированные компоненты в схеме цепей сигналов. Аналоговая электроника немного нелинейна, что создает гармонические искажения. В статье Уолша он обсуждает, как выбрать усилитель с низким уровнем искажений и как рассчитать шум усилителя. В то время как активные компоненты, такие как усилители, нуждаются в низком THD + N, также необходимо учитывать искажения и шум пассивных компонентов, таких как общие резисторы и конденсаторы.

Резисторы проявляют нелинейность из двух источников: коэффициент напряжения и коэффициент мощности. В зависимости от применения в высокоэффективной сигнальной цепи могут потребоваться резисторы, изготовленные по специальным технологиям, таким как тонкопленочные или металлические резисторы. Входные фильтрующие конденсаторы также могут значительно увеличивать искажения, если они не указаны правильно. Керамические конденсаторы из полистирола и NP0 / C0G могут быть хорошими альтернативами для улучшения THD, если позволяет бюджет.

Помимо шума усилителя, даже резисторы и конденсаторы имеют электронный шум, который возникает при термическом перемешивании носителей заряда внутри электрического проводника в равновесии. Тепловой шум в RC-схеме имеет простое выражение, так как более высокий R способствует требованию фильтрации, а также к большему количеству шума. Полоса шума в цепи RC составляет 1 / (4RC).

Даны две формулы для оценки среднеквадратичного теплового шума резисторов и малых конденсаторов.

kB (постоянная Больцмана) = 1, 38065 × 10-23m2kgs-2K-1

T - температура в K

f - ширина полосы приближения фильтра кирпичной стены

На рисунке 6 показано влияние производительности THD крышки NP0 на колпачок X7R на оценочной плате EVAL-AD7960FMCZ: (a) показывает спектр однотональной синусоидальной волны с частотой 10 кГц, при этом C76 и C77 составляют 1 nF 0603 NP0, тогда как (б) показывает спектр с использованием 1 nF 0603 X7R колпачков.

FIgure 6 (a) 0603 1nF NP0 Cap

Рисунок 6 (b) 0603 1nF X7R Cap

Рисунок 6. NP0 против X7R влияет на THD на оценочной плате EVAL-AD7960FMCZ

Имея в виду предыдущие соображения проектирования, активные аналоговые фильтры могут быть спроектированы с использованием ADI Analog Filter Wizard. Он будет вычислять значения конденсатора и резистора, а также выбирать усилители, необходимые для приложения.

Вопросы цифрового фильтра

SAR и Σ-Δ ADC неуклонно достигают более высоких скоростей дискретизации и входных полос пропускания. Перевыпуск сигнала с удвоенной скоростью Найквиста равномерно распределяет мощность шума квантования АЦП в двойной частотный диапазон. Затем легко создавать цифровые фильтры для ограничения диапазона оцифрованного сигнала, а затем уменьшать до нужной конечной частоты дискретизации. Этот метод уменьшает погрешность квантования внутри диапазона и улучшает SNR ADC. Этот метод уменьшает давление на фильтр сглаживания, ослабляя откат фильтра. Методы переизбрания уменьшают требования к фильтрам, но требуют более высоких АЦП с дискретной частотой дискретизации и более быстрой цифровой обработки.

1. Фактическое улучшение SNR с использованием частоты перераспределения на АЦП

Используя передискретизацию и фильтр прореживания, улучшение SNR можно получить из теоретического SNR для N-разрядного АЦП: SNR = 6.02 × N + 1.76 dB + 10 × log10 (OSR), OSR = fs / (2 × BW). Обратите внимание, что эта формула применяется только к идеальным АЦП, в которых есть только шум квантования.

Рисунок 7. Переизбрание преобразователя Найквиста

Многие другие источники вводят шум в коды преобразования АЦП. Например, есть шум от источника сигнала и компонентов цепи сигнала, чип теплового шума, дробового шума, шума в источниках питания, шума в опорном напряжении, цифровом проходной шуме и фазовый шум из-за выборками тактовых импульсов. Этот шум может распределяться равномерно в полосе сигнала и отображаться как мерцающий шум. Поэтому фактическое достигнутое улучшение SNR в АЦП обычно ниже, чем рассчитанное в формуле.

2. Динамическое улучшение с перевыборкой в оценочной плате EVAL-AD7960FMCZ

В примечании к применению AN-1279 (PDF) показано, что измеренный динамический диапазон 18-разрядного AD7960 ADC с избыточной дискретизацией по 256 × составляет 123 дБ. Это приложение используется для высокопроизводительных сигнальных цепей сбора данных, таких как спектроскопия, магнитно-резонансная томография (МРТ) и газовая хроматография, а также вибрация, масло / газ и сейсмические системы.

Как показано на рисунке 8, измеренный динамический диапазон с избыточной дискретизацией показывает ухудшение от 1 дБ до 2 дБ от расчета теоретического ОСШ. Поскольку низкочастотный шум, исходящий от компонентов сигнальной цепи, ограничивает общую динамическую динамику диапазона.

Рисунок 8 (a) Динамический диапазон без OSR

Рисунок 8 (b) Динамический диапазон с OSR = 256

Рисунок 8. Улучшение динамического диапазона с помощью OSR 256

3. Использование встроенного цифрового фильтра в SAR и Σ-Δ ADC

Обычно цифровые фильтры располагаются в FPGA, DSP или процессоре. Чтобы уменьшить затраты на проектирование системы, ADI предоставляет некоторые прецизионные АЦП с интегрированными пост-цифровыми фильтрами. Например, AD7606 имеет фильтр с цифровым синхронизирующим фильтром одного порядка для передискретизации. Он легко настраивается путем вытягивания или выключения OS-штырей. A-AD AD7175-x имеет не только традиционный фильтр sinc3, но также sinc5 + sinc1 и улучшенные фильтры фильтрации 50 Гц и 60 Гц. AD7124-x обеспечивает быстрый режим оседания (sinc4 + sinc1 или sinc3 + sinc1 filter).

4. Задержка транзакции с мультиплексированием АЦП с выборкой

Цифровые фильтры имеют недостаток латентности, который зависит от заказов цифровых фильтров и основной тактовой частоты. Задержка должна быть ограничена для приложений реального времени и времени отклика петли. Скорость вывода данных в листе данных - это скорость, с которой доступны доступные преобразования, когда непрерывные преобразования выполняются на одном канале. Когда пользователь переключается на другой канал, для модуляции Σ-Δ и цифрового фильтра требуется дополнительное время. Время установления, связанное с этими преобразователями, - это время, когда выходные данные отражают входное напряжение после изменения канала. Чтобы точно отразить аналоговый вход после изменения канала, цифровой фильтр должен быть сброшен из всех данных, относящихся к предыдущему аналоговому входу.

Для предыдущих Σ-Δ АЦП скорость переключения канала составляет часть скорости вывода данных. Поэтому при переключении приложений, таких как мультиплексирование систем сбора данных, важно понимать, что скорость, с которой имеются конверсии, в несколько раз меньше, чем скорость преобразования, когда непрерывная выборка одного канала.

Некоторые новые ADI Σ-Δ ADC, такие как AD7175-x, содержат оптимизированные цифровые фильтры, чтобы уменьшить время установления при переключении каналов. Фильтр sinc5 + sinc1 AD7175-x предназначен для мультиплексированных приложений и обеспечивает однократное отключение при выходной скорости передачи данных 10 kSPS и ниже.

5. Избегайте сглаживания путем децимации с помощью цифровых фильтров

Как обсуждалось во многих статьях, чем выше частота передискретизации, тем легче становится конструкция аналогового фильтра. При выборке с более высокой скоростью, чем вам нужно, чтобы удовлетворить Nyquist, можно было бы использовать более простой аналоговый фильтр, чтобы избежать воздействия на сглаживание с чрезвычайно высоких частот. Трудно спроектировать аналоговый фильтр для ослабления желаемой полосы частот без искажений, но легко спроектировать аналоговый фильтр для отклонения высоких частот с передискретизацией. Затем легко создавать цифровые фильтры для ограничения диапазона сигнала преобразования, а затем децитировать до желаемой конечной частоты дискретизации без потери желаемой информации.

Перед внедрением прореживания необходимо обеспечить, чтобы эта передискретизация не создавала новые проблемы с псевдонимом. Убедитесь, что входной сигнал соответствует теореме Найквиста, ссылаясь на частоту дискретизации после прореживания.

Оценочная плата EVAL-AD7606 / EVAL-AD7607 / EVAL-AD7608EDZ может работать со скоростью 200 kSPS на канал. В следующем тесте он настроен на выборку с частотой 6, 25 кПс с частотой передискретизации 32. Затем к AD7606 применяется синусоидальная волна 3, 5 кГц -6 дБФФ. На рисунке 9 показано изображение псевдонима -10 dBFS с частотой 2, 75 кГц (6, 25 кГц - 3, 5 кГц). Поэтому, если перед АЦП отсутствует квалифицированный антиалиасный аналоговый фильтр, цифровой фильтр может вызывать изображения псевдонима путем прореживания при использовании передискретизации. Для устранения таких пиков шума, наложенных на аналоговый сигнал, следует использовать аналоговый фильтр антиалиаса.

Рисунок 9. Псевдоним, когда частота дискретизации OSR <удваивает частоту Найквиста

Вывод

Задачи и соображения, обсуждаемые в этой статье, могут помочь разработчику реализовать практические фильтры, чтобы помочь достичь целей системы точного сбора. Аналоговые фильтры должны взаимодействовать с неидеальными входными структурами АЦП SAR или Σ-Δ без нарушения системных ошибок, тогда как цифровой фильтр не должен вызывать ошибок на стороне процессора. Это непростая задача, и компромиссы должны быть сделаны в технических характеристиках системы, времени отклика, стоимости, проектных усилиях и ресурсах.

Дальнейшее чтение

Эта статья была первоначально опубликована Analog Dialogue - Посетите их веб-сайт, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи