Динамический диапазон ацп: Динамический диапазон rtl-sdr • dernasherbrezon — Primelens.ru-Зеркальные Фотоаппараты,Компактные Фотоаппараты,Видеокамеры,Объективы,Фотовспышки, и Аксессуары в Москве.

Динамический диапазон ацп: Динамический диапазон rtl-sdr • dernasherbrezon

Содержание

Динамический диапазон rtl-sdr • dernasherbrezon

Ниже я сделал перевод одной замечательной заметки Mile Kokotov о динамическом диапазоне rtl-sdr. Это очень важный показатель, которым я заинтересовался и решил разобраться. Возможно кому-нибудь это тоже будет полезно.

Большинство людей думает, что наиболее важной характеристикой радиоприёмника является чувствительность, но это не совсем так. Вообще, спроектировать и произвести приёмник с высокой чувствительностью не проблема. Гораздо сложнее для инженеров спроектировать приёмник с большим динамическим диапазоном, который смог бы принимать как очень слабые сигналы, так и очень сильные одновременно.

Перегрузка приёмника означает то, что он больше не является линейным и сам по себе начинает генерировать сигналы, добавляя шум. Очень сильные сигналы на входе приёмника делают его менее чувствительным, таким образом он больше не может принимать слабые сигналы до тех пор, пока существует сильный сигнал рядом. Не стоит забывать, что на вход приёмнику приходят все сигналы, несмотря на то, что нам нужен только один конкретный. Соответственно, чем шире полоса приёма, тем больше нужен динамический диапазон для того, чтобы избежать перегрузки.

Качество sdr приёмника зависит от множества факторов. И одним из наиболее важных параметров, которые напрямую влияют на качество sdr приёмника, является его динамический диапазон.

В общем случае, динамический диапазон — это отношение самого сильного сигнала, который можно принять, к самому слабому.

Для цифровых сигналов динамический диапазон определяется количеством битов в сэмпле: самый сильный сигнал использует все возможные биты, самый слабый — только один бит.

В sdr уровень аналогового сигнала, поступающего в АЦП, может быть отрегулирован (вручную или с помощью АРУ) для того, чтобы максимально эффективно использовать доступный динамический диапазон.

Если аналоговый сигнал слишком сильный, то его нельзя представить соответствующими значениями битов.

В таком случае АЦП подставляет максимальное или минимальное значение. Это называется отсечение и с точки зрения обработки сигналов представляет собой форму нелинейного сигнала. При этом появляются фантомные сигналы, которые копируют оригинальный на различных частотах.

Если аналоговый сигнал слишком слабый, то его присутствие не сможет дать даже одного бита выходного цифрового сигнала. На практике же, более грубое представление цифрового сигнала приводит к потере информации. Эту ситуацию называют шумом квантования.

Динамический диапазон АЦП — это отношение между самым сильным и самым слабым сигналом, которое может быть переведено в цифровой вид без искажений.

Самый сильный сигнал представляет собой максимальный входящий сигнал. Обычно 0dBFS (dBFS означает децибел по отношению к максимальному уровню) — это максимально возможный цифровой сигнал. При этом более слабые сигналы становятся отрицательными. Например, минимальный уровень шума может быть -60dBFS, -80dBFS, -100 dBFS в зависимости от качества sdr приёмника и соотношения сигнал/шум.

n\sqrt{\dfrac{3}{2}}) $$

Где n — количество бит, SQNR — динамический диапазон.

Согласно формуле динамический диапазон АЦП 8 бит равен ~50dB, 12 бит 74dB и 16 бит 98dB.

Почему же динамический диапазон важен для SDR?

Кто-то может подумать, что достаточно иметь АРУ (автоматическая регулировка усиления), которая поддерживает входной сигнал на необходимом уровне и, поэтому не нужен большой динамический диапазон. Это может сработать, но не стоит забывать что sdr приёмник получает сигнал на АЦП гораздо большей ширины, нежели необходимо. Дополнительная ширина сигнала позволяет получить спектограмму всей доступной полосы частот, но это так же значит, что на АЦП попадает множество энергии, в том числе и от нежелательных частот. Эти частоты могут быть достаточно сильными по сравнению с сигналом, который необходимо получить.

В таком случае, уровень усиления должен быть равен суммарной мощности всего радио сигнала поступающего на АЦП. Это решит проблему “слишком сильного” сигнала, при этом самый слабый сигнал будет определяться динамическим диапазоном. Тем не менее при большом динамическом диапазоне шум квантирования уменьшается, позволяя принимать слабые узкополосные сигналы.

Улучшить качество сигнала можно еще одним способом — используя более узкий аналоговый фильтр. Это позволит сократить входную мощность и позволит усилить сигнал без отсечения. Однако, это работает если sdr имеет встроенный настраиваемый фильтр.

В крайнем случае можно использовать фильтр, равный полосе принимаемого сигнала. Недостатком этого метода является то, что нельзя будет увидеть полный спектр.

Помимо количества бит АЦП, динамический диапазон может зависеть от шума и фантомных сигналов.

Если в приёмнике нет предусилителя, то его динамический диапазон ограничен динамическим диапазоном АЦП. Но если он есть, то динамический диапазон ограничен либо АЦП, либо предусилителем. При этом шум усилителя задаёт минимальный сигнал, который может быть оцифрован.

Динамический диапазон системы должен быть больше соотношения сигнал/шум. Если же он меньше, то входящий сигнал будет искажён приёмником, и узким местом такой системы будет мощность усилителя.

Фантомные сигналы намного более опасны, чем шум. Они имеют гораздо большую амплитуду нежели шум и она не зависит от выбранной полосы пропускания. Эти сигналы появляются в результате нелинейности АЦП. SFDR для АЦП определяется как отношение RMS амплитуды сигнала к RMS амплитуды самого большего фантомного сигнала. SFDR представлен на картинке ниже:

Есть некоторое заблуждение связанное с динамическим диапазоном широкополосных АЦП. Оно заключается в том, что АЦП работающее на 20МГц с динамическим диапазоном 74dB не может быть лучше радиоприёмника с динамическим диапазоном 85dB. Проблема в том, что сравнивается белое с пушистым. Нельзя говорить о динамическом диапазоне не упоминая ширину канала. Для радиолюбительского радио — это ширина приёмника. Она может быть 2400Гц для SSB или 500Гц для морзе.

На самом деле в некоторых sdr приёмниках используется децимация. Процесс децимации заключается в том, что цифровой сигнал, полученный с гораздо большей частотой дискретизации, уменьшается до интересующей частоты дискретизации. В результате динамический диапазон увеличивается за счёт “усиления обработки”. Усиление достигается за счёт того, что удаляется шум вне интересующей полосы частот, тем самым увеличивая соотношение сигнал/шум.

Например, Если взять 12-битный АЦП, работающий с частотой дискретизации 10МГц, то с помощью децимации можно увеличивать динамический диапазон на 3dB при каждом увеличении децимации в 2 раза:

Децимация	alias-free bandwidth (Mhz)	Увеличение (dB)	Динамический диапазон (dB)
0	8	0	74
2	4	3	77
4	2	6	80
8	1	9	83
16	0.5	12	86
32	0.25	15	89
64	0.125	18	92

Пресс-центр компании «Диполь»

23 июля 2015

подписаться подписаться

Материал компании Crystal Instruments под редакцией руководителя сервисной службы испытательного оборудования Олега Туркалова, turkalov@dipaul. ru
Перевод Артема Вахитова

Одной из уникальных особенностей устройств, производимых компанией Crystal Instruments, является их выдающийся динамический диапазон — 150 дБ относительно максимального уровня сигнала. Такие высокие характеристики впервые достигнуты в столь компактных и недорогих устройствах. Главное преимущество широкого динамического диапазона — отсутствие необходимости настраивать чувствительность и амплитудный диапазон входного усилителя, что упрощает процесс подготовки и выполнения измерений. Сигналы, различающиеся по уровню на порядки — от максимума в 10 вольт до нескольких микровольт, — измеряются одновременно без перенастройки. Благодаря этому подготавливать и выполнять измерения оказывается значительно проще, чем при использовании приборов с более узким динамическим диапазоном. В данной статье мы разъясним понятие «динамический диапазон» и опишем различные методы его оценки, в том числе и тот, который применяет компания Crystal Instruments.

Динамический диапазон в динамических измерениях

Динамический диапазон — одна из важнейших характеристик системы динамических измерений. Если он слишком узок, сильные сигналы будут ограничиваться и искажаться, а слабые потонут в собственном шуме системы. Шум является неотъемлемым атрибутом электронных схем, предназначенных для усиления и формирования сигналов от первичных измерительных преобразователей. Максимальное расширение динамического диапазона — задача первоочередной важности в приборостроении, поскольку от этого зависит возможность точного одновременного измерения как слабых, так и сильных сигналов.

Восприятие данной характеристики осложняется тем, что производители определяют и измеряют ее по-разному. Их можно понять, ведь общепринятой технической формулировки, раскрывающей содержание динамического диапазона, не существует. В общем случае он расплывчато характеризуется как отношение наибольшего и наименьшего значений сигнала, которые система способна точно измерить в один и тот же момент времени. Такое определение вызывает несколько вопросов:
1. Что значит «в один и тот же момент времени»? Сравниваем ли мы слабый сигнал, наложенный на сильный, с самим этим сильным сигналом — или же отдельно слабый и сильный сигналы, которые зафиксированы на одной временной отметке, но в разные периоды?
2.

   Что значит «наибольшее значение сигнала»? Есть три общеупотребительные меры наибольшего значения сигнала, и каждая из них уместна в определенном контексте:
•   размах амплитуды (peak-to-peak, full-scale range) — разность между двумя крайними значениями сигнала;
•   амплитуда (zero-to-peak) — разность между средним и амплитудным значениями сигнала;
•   действующее значение (RMS full-scale) — среднеквадратичное значение сигнала (для синусоидального сигнала это 0,707 от его амплитуды).
3.   Что значит «наименьшее значение сигнала»? Имеется ли в виду уровень шума? Рассматривается ли некоторая узкая фиксированная полоса частот или же вся полоса пропускания устройства? Это важно, поскольку измеренный среднеквадратичный уровень шума будет зависеть от полосы частот, в которой он измеряется.
Для правильной интерпретации паспортного значения динамического диапазона необходимо разобраться в этих вопросах и выяснить, как производитель измеряет величину, чтобы можно было сравнивать между собой разные устройства.

Динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS)

При испытаниях своих приборов — анализатора сигналов CoCo-80 и виброконтроллеров Spider 81/81b/80x — компания Crystal Instruments применяет одно из наиболее распространенных определений — динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS), измеряемый в децибелах (дБ). Это отношение максимального размаха амплитуды измеряемого сигнала (VFS) к действующему значению напряжения собственного шума системы (VN). VN обычно измеряется с заглушенным входом и заземлением.

В системе регистрации данных dBFS представляет собой частотно-зависимую переменную величину: чем шире полоса пропускания прибора, тем уже динамический диапазон (меньше значение dBFS). Это связано с тем, что шум обычно имеет равномерное распределение спектральной плотности мощности. А потому чем шире участок спектра, на котором рассчитывается действующее значение напряжения шума VN, тем больше это значение. Соответственно, можно искусственно завысить dBFS, сузив полосу частот, в которой выполняется измерение.
Параметр dBFS измеряется либо во временной, либо в частотной области, при этом результаты измерений будут неодинаковыми. При измерении во временной области знаменатель формулы dBFS представляет собой среднеквадратичное значение шумового сигнала в некоторой широкой полосе частот, а в частотной области — мощность шумового сигнала на конкретных частотах. Если распределение спектральной плотности мощности шума в системе равномерное, то в частотной области значение VN будет ниже, а dBFS — выше.

Измерение dBFS во временной области

На рис. 1 показана длительная сигналограмма во временной области, полученная на частоте дискретизации 1 кГц. Сначала на вход прибора CoCo-80 было подано синусоидальное напряжение амплитудой 10 В, что соответствует максимальному уровню входного сигнала. Во время регистрации этого сигнала вход прибора был отсоединен, и на него была установлена заглушка. Соответственно, во второй части сигналограммы регистрировался только собственный шум системы.

С помощью программного обеспечения было определено действующее значение шума — 1,81 мкВ. Следовательно, для динамического диапазона получаем:

Описанное выше измерение было повторено на различных частотах дискретизации. В результате получены следующие значения dBFS:

Измерение dBFS в частотной области

Как видно из предыдущей таблицы, dBFS зависит от частоты дискретизации, поэтому рассмотрим уровень собственного шума прибора в частотной области. В этом режиме мы можем воспользоваться функцией автоматического измерения спектральной плотности мощности с градуировкой отсчетной шкалы в децибелах относительно максимального уровня сигнала. Поскольку максимальная амплитуда входного сигнала CoCo-80 составляет 10 В, по этой шкале синусоидальный сигнал амплитудой 10 В даст пик с уровнем 0 дБ.
На рис. 2 показано, что при установленной на входе прибора 50-омной заглушке уровень собственных шумов прибора оказывается ниже — 150 дБ. Автоматическое измерение спектральной плотности мощности выполнено методом БПФ по 4096 точкам с 64-кратным усреднением спектра. Таким образом, измерив очень слабый синусоидальный сигнал амплитудой 1 мкВ, мы можем заявить, что динамический диапазон равен 150 дБ!

Как можно видеть, при измерении в частотной области значение dBFS оказывается выше, чем во временной области, потому что в первом случае синусоидальный сигнал максимальной амплитуды сравнивается с собственным шумом на отдельных частотах, а не с суммарным шумом во всей полосе пропускания. Кроме того, при усреднении спектра снижается дисперсия оценки шумового спектра. Во временной области синусоидальный сигнал амплитудой 1 мкВ полностью потонул бы в шуме, а в частотной области он оказывается виден после усреднения.
Подводя итоги, можно сказать, что динамический диапазон — понятие расплывчатое и числовое значение этой характеристики будет различаться в зависимости от метода ее измерения. Для CoCo-80 динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS) при измерении во временной области составляет 130 дБ, а в частотной области — 150 дБ.

Как достигается столь широкий динамический диапазон в устройствах Crystal lnstruments?

В устройствах компании Crystal Instruments столь широкий динамический диапазон достигается за счет применения уникальной патентованной технологии с использованием двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в каждом измерительном канале (рис. 4).

Эта уникальная технология предусматривает использование двух АЦП, установленных параллельно в каждом измерительном канале. В ходе регистрации информации потоки данных во временной области с обоих АЦП поступают на цифровой сигнальный процессор (ЦСП). ЦСП выбирает соответствующие потоки.
При столь широком динамическом диапазоне каждого входа необходимость в настройке чувствительности (диапазона входных напряжений) практически отпадает.

Справка

В настоящее время на рынке присутствует множество компаний, предлагающих комплексные решения для управления вибросистемами, измерения вибрации и анализа данных. Одна из таких компаний — Crystal Instruments Corporation. Компания была основана в 1996 году доктором физических наук Джеймсом Чжугэ (James Zhuge, Ph. D.) и Джастином Тангом (Justin Tang) и располагается в центре высоких технологий — Кремниевой долине.
Первым продуктом CI стал анонсированный в 1996 году самый маленький на тот момент анализатор сигналов, использующий сигма-дельта АЦП — Type II PCMCIA Dynamic Signal Analyzer (платы AQ204 производятся и востребованы по сей день). После успешной разработки систем сбора и анализа данных создатели CI обратили внимание на рынок вибрации и внесли свой вклад в создание компании DACTRON в том же, 1996 году. Успех не заставил себя долго ждать — на рынке появились виброконтроллеры DACTRON Laser и DACTRON Comet. В 2003 году компания LDS взяла под крыло успешный DACTRON, который за семь лет существования выпустил на рынок более 20 различных продуктов. В 2006 году Bruel & Kjaer выкупают DACTRON у LDS, а Джеймс Чжугэ и Джастин Танг возвращаются к своему первоначальному проекту — Crystal Instruments. Уже в 2007-м они предлагают уникальный ручной сборщик и анализатор данных CoCo-80. Crystal Instruments признали лидером и инноватором рынка.
За последующие четыре года компания выпускает на рынок семейство контроллеров 4-го поколения Spider (Spider 80 в 2009,Spider 81/81b в 2010, Spider 80x в 2013).
На данный момент Crystal Instruments работает в следующих направлениях:
•   мониторинг машин;
•   структурный анализ;
•   шумо- и виброметрия;
•   акустический анализ;
•   техническое обслуживание продукции;
•   системы управления электродинамическими вибростендами.

Типы АЦП и ЦАП

Abstract

В этом документе собраны и определены технические термины, обычно используемые с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Время получения

Время сбора данных — это интервал между выходом из состояния удержания (вызванным входной схемой отслеживания и удержания) и моментом, когда напряжение на конденсаторе выборки стабилизируется с точностью до 1 младшего разряда от нового входного значения. Уравнение для времени приобретения (T _acq ) это:

где R _SOURCE — импеданс источника, C _SAMPLE — емкость дискретизации, а N — количество битов разрешения.

Псевдоним

В теории дискретизации частоты входного сигнала, превышающие частоту Найквиста, «накладываются». То есть они «свернуты назад» или реплицированы в других положениях спектра выше и ниже частоты Найквиста. Чтобы предотвратить наложение, вы должны адекватно фильтровать все нежелательные сигналы, чтобы АЦП не оцифровывал их. Псевдонимы могут быть использованы с пользой при недостаточной выборке.

См. также указания по применению Основы фильтрации: сглаживание

Диафрагменная задержка

Задержка апертуры (t _AD ) в АЦП представляет собой интервал между фронтом выборки тактового сигнала (нарастающий фронт тактового сигнала на рисунке) и моментом, когда производится выборка. Выборка берется, когда функция отслеживания и удержания АЦП переходит в состояние удержания.

Рис. 1. Диафрагменная задержка (красный) и дрожание (синий).

Дрожание диафрагмы

Дрожание апертуры (t _AJ ) представляет собой изменение задержки апертуры от выборки к выборке, как показано на этом рисунке. Типичные значения джиттера апертуры АЦП намного меньше значений апертурной задержки.

Двоичное кодирование (униполярное)

Прямой двоичный код — это схема кодирования, обычно используемая для однополярных сигналов. Двоичный код (от нулевой шкалы до полной шкалы) находится в диапазоне от всех нулей (00…000) до положительного значения полной шкалы всех единиц (11…111). Средняя шкала представлена единицей (старшим битом), за которой следуют все нули (10…000). Этот код подобен двоичному кодированию со смещением, которое учитывает положительные и отрицательные значения биполярных передаточных функций.

Биполярные входы

Термин «биполярный» указывает на то, что сигнал колеблется выше и ниже некоторого опорного уровня. В несимметричных системах вход обычно привязан к аналоговой земле, поэтому биполярный сигнал — это сигнал, который колеблется выше и ниже земли. В дифференциальных системах, где сигнал не привязан к земле, а положительный вход связан с отрицательным входом, биполярный сигнал — это сигнал, в котором положительный вход колеблется выше и ниже отрицательного входа.

Отклонение синфазного сигнала (CMR)

Подавление синфазного сигнала — это способность устройства подавлять сигнал, общий для обоих входов. Синфазный сигнал может быть сигналом переменного или постоянного тока или их комбинацией. Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) представляет собой отношение усиления дифференциального сигнала к усилению синфазного сигнала. CMRR часто выражается в децибелах (дБ).

Перекрёстные помехи

Перекрёстные помехи — это мера того, насколько хорошо каждый аналоговый вход изолирован от других. Для АЦП с более чем одним входным каналом перекрестные помехи — это величина сигнала, который передается с одного аналогового входа на другой. Это значение обычно указывается в децибелах (дБ). Для ЦАП с более чем одним входным каналом перекрестные помехи — это уровень шума, который появляется на выходе ЦАП при обновлении другого выходного канала ЦАП.

Ошибка дифференциальной нелинейности (DNL)

Для АЦП уровни аналогового входа, запускающие любые два последовательных выходных кода, должны отличаться на один младший бит (DNL = 0). Любое отклонение от одного LSB определяется как DNL. Для ЦАП ошибка DNL представляет собой разницу между идеальными и измеренными выходными характеристиками для последовательных кодов ЦАП. Идеальный ответ ЦАП должен иметь аналоговые выходные значения ровно на один код (LSB) друг от друга (DNL = 0). (Спецификация DNL больше или равна 1LSB гарантирует монотонность.) (См. «Монотонность».)

Рис. 2. DNL для АЦП и ЦАП.

См. также указания по применению Измерения INL/DNL для высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП)

Цифровой ввод

Цифровой сквозной сигнал — это шум, который появляется на выходе ЦАП при переключении цифровых линий управления. На рисунке сквозной сигнал на выходе ЦАП является результатом шума последовательного тактового сигнала.

Рис. 3. Цифровой ввод.

Динамический диапазон

Обычно выражаемый в дБ, динамический диапазон определяется как диапазон между минимальным уровнем шума устройства и заданным максимальным выходным уровнем. Динамический диапазон АЦП — это диапазон амплитуд сигналов, которые может разрешить АЦП; АЦП с динамическим диапазоном 60 дБ может разрешать амплитуды сигналов от x до 1000x. Динамический диапазон важен в коммуникационных приложениях, где мощность сигнала сильно различается. Если сигнал слишком большой, он превышает диапазон входного сигнала АЦП. Если сигнал слишком мал, он теряется в шуме квантования преобразователя.

Эффективное число битов (ENOB)

ENOB определяет динамические характеристики АЦП при определенной входной частоте и частоте дискретизации. Ошибка идеального АЦП состоит только из шума квантования. По мере увеличения входной частоты общий шум (особенно в компонентах искажения) также увеличивается, тем самым уменьшая ENOB и SINAD. (См. «Отношение сигнал-шум и искажение (SINAD)».) ENOB для полномасштабного синусоидального входного сигнала вычисляется из:

Выходы Force-Sense

Это метод измерения, при котором напряжение (или ток) принудительно подается в удаленной точке цепи, а результирующий ток (или напряжение) измеряется (чувствуется). ЦАП со встроенными выходными усилителями, например, иногда имеют выходы с измерением силы. Инвертирующий вход выходного усилителя доступен для внешнего подключения, а цепь обратной связи должна быть закрыта снаружи.

Максимальная пропускная способность (FPBW)

АЦП работает с приложенным аналоговым входом с амплитудой, указанной полной шкалой преобразователя, или близкой к ней. Входная частота увеличивается до точки, при которой амплитуда оцифрованного результата преобразования уменьшается на 3 дБ. Эта входная частота определяется как входная полоса пропускания при полной мощности.

Полномасштабная (FS) ошибка

Ошибка полной шкалы — это разница между фактическим значением, которое запускает переход к полной шкале, и идеальным аналоговым значением перехода полной шкалы. Ошибка полной шкалы равна ошибке смещения + ошибка усиления, как показано на этом рисунке.

Рис. 4. Полная погрешность для АЦП и ЦАП.

Ошибка усиления FS (DAC)

Полная погрешность усиления цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) представляет собой разницу между фактическим и идеальным выходным диапазоном. Фактический диапазон определяется выходом, когда все входы установлены на 1 с, минус выход, когда все входы установлены на 0. На полномасштабную погрешность усиления любого преобразователя данных может повлиять выбор опорного значения, используемого для измерения погрешности усиления.

Ошибка усиления

Ошибка усиления АЦП или ЦАП показывает, насколько наклон фактической передаточной функции соответствует наклону идеальной передаточной функции. Погрешность усиления обычно выражается в LSB или в процентах от полного диапазона (%FSR), и ее можно откалибровать аппаратно или программно. Ошибка усиления – это ошибка полной шкалы за вычетом ошибки смещения.

Рисунок 5. Ошибка усиления для АЦП и ЦАП.

Дрейф ошибки усиления

Дрейф ошибки усиления — это изменение ошибки усиления из-за изменения температуры окружающей среды, обычно выражаемое в ppm/°C.

Согласование усиления

Согласование коэффициентов усиления показывает, насколько хорошо коэффициенты усиления всех каналов многоканального АЦП согласованы друг с другом. Чтобы вычислить согласование усиления, подайте один и тот же входной сигнал на все каналы и укажите максимальное отклонение усиления, обычно в дБ.

Глюк Импульс

Глитч-импульс — это переходное напряжение, которое появляется на выходе ЦАП, когда происходит переход основного переноса. Обычно измеряется в нВ•с и равняется площади под кривой на графике зависимости напряжения от времени.

Гармоник

Гармоника периодического сигнала представляет собой синусоиду, кратную основной частоте сигнала.

Интегральная нелинейность (INL) Ошибка

Для преобразователей данных INL — это отклонение фактической передаточной функции от прямой линии. После обнуления ошибок смещения и усиления прямая линия является либо наиболее подходящей прямой линией, либо линией, проведенной между конечными точками передаточной функции. INL часто называют «относительной точностью».

Рис. 6. INL для АЦП и ЦАП.

Интермодуляционные искажения (IMD)

IMD — это явление, при котором нелинейность в цепи или устройстве создает новые частотные составляющие, которых нет в исходном сигнале. IMD включает в себя эффекты гармонического искажения и двухтонального искажения. Он измеряется как отношение общей мощности этих выбранных продуктов интермодуляции (т. е. от IM2 до IM5) к общей мощности двух входных сигналов, f1 и f2. Сигналы f1 и f2 имеют одинаковую амплитуду и очень близки друг к другу по частоте. Продукты интермодуляции 2–5-го порядка следующие:

Продукты интермодуляции 2-го порядка (IM2): f1 + f2, f2 — f1
Продукты интермодуляции 3-го порядка (IM3): 2 x f1 — f2, 2 x f2 — f1, 2 x f1 + f2, 2 x f2 + f1
Продукты интермодуляции 4-го порядка (IM4): 3 x f1 — f2, 3 x f2 — f1, 3 x f1 + f2, 3 x f2 + f1
Продукты интермодуляции 5-го порядка (IM5): 3 x f1 — 2 x f2, 3 x f2 — 2 x f1, 3 x f1 + 2 x f2, 3 x f2 + 2 x f1.

Младший значащий бит (LSB)

В двоичном числе младший бит является наименее взвешенным битом в группе. Как правило, LSB является самым дальним правым битом. Для АЦП или ЦАП вес LSB равен полному диапазону напряжения преобразователя, деленному на 2 ^N , где N — разрешение преобразователя. Для 12-разрядного АЦП с однополярным полным напряжением 2,5 В 1LSB = (2,5 В/2 ¹² ) = 610 мкВ.

Переход мажорного переноса

При переходе к основному переносу (приблизительно в середине шкалы) либо MSB изменяется с младшего на высокий, а все остальные биты изменяются со старшего на низкий, либо MSB изменяется с высокого на низкий, а все остальные биты изменяются с младшего на высокий. Например, 01111111 в 10000000 — это переход с основным переносом. Переходы основного переноса часто вызывают наихудший шум переключения. (См. Глитч-импульс.)

Монотонный

Последовательность монотонно возрастает, если для каждого n число Pn + 1 больше или равно Pn. Точно так же последовательность монотонно убывает, если для каждого n Pn + 1 меньше или равно Pn. ЦАП является монотонным, если аналоговый выходной сигнал всегда увеличивается по мере увеличения входного сигнала ЦАП-кода. АЦП является монотонным, если цифровой выходной код всегда увеличивается по мере увеличения аналогового входного сигнала АЦП. Преобразователь гарантированно монотонный, если ошибка DNL не превышает ±1LSB.

Старший бит (MSB)

В двоичном числе старший бит является самым взвешенным битом в числе. Как правило, MSB является самым левым битом.

Умножающий ЦАП (MDAC)

Умножающий ЦАП позволяет подать сигнал переменного тока на опорный вход. Подавая интересующий сигнал на опорный вход и используя коды ЦАП для масштабирования сигнала, ЦАП можно использовать в качестве цифрового аттенюатора.

Нет пропущенных кодов

АЦП не имеет пропущенных кодов, если он выдает все возможные цифровые коды в ответ на линейно изменяющийся сигнал, подаваемый на аналоговый вход.

Частота Найквиста

Принцип Найквиста гласит, что для полного представления аналогового сигнала без эффектов наложения частот частота дискретизации АЦП должна как минимум в два раза превышать максимальную полосу пропускания сигнала. Эта максимальная ширина полосы называется частотой Найквиста.

Двоичное кодирование смещения

Двоичное смещение — это схема кодирования, часто используемая для биполярных сигналов. При смещенном двоичном кодировании самое отрицательное значение (отрицательная полная шкала) представлено всеми нулями (00…000), а самое положительное значение (положительная полная шкала) представлено всеми единицами (11…111). Нулевая шкала представлена единицей (MSB), за которой следуют все нули (10…000). Эта схема аналогична прямому двоичному кодированию, которое обычно используется для однополярных сигналов. (См. Двоичное кодирование, Униполярный.)

Ошибка смещения (биполярный)

Измерение ошибки смещения в биполярных преобразователях аналогично измерению ошибки смещения в униполярных преобразователях. Однако ошибка, измеренная в нулевой шкале, находится в середине биполярной передаточной функции. (См. Ошибка смещения (униполярная).)

Ошибка смещения (униполярный)

Ошибка смещения, часто называемая ошибкой «нулевого масштаба», указывает, насколько хорошо фактическая передаточная функция соответствует идеальной передаточной функции в одной точке. Для идеального преобразователя данных первый переход происходит при 0,5 LSB выше нуля. Для АЦП напряжение нулевой шкалы подается на аналоговый вход и увеличивается до тех пор, пока не произойдет первый переход. Для ЦАП ошибка смещения — это реакция аналогового выхода на входной код, состоящий из всех нулей.

Рис. 7. Ошибка смещения для АЦП и ЦАП.

Ошибка смещения Дрейф

Дрейф ошибки смещения — это изменение ошибки смещения из-за изменения температуры окружающей среды, обычно выражаемое в ppm/°C.

Передискретизация

Для АЦП выборка аналогового входа со скоростью, намного превышающей частоту Найквиста, называется передискретизацией. Передискретизация улучшает динамические характеристики АЦП за счет эффективного снижения уровня шума. Улучшение динамических характеристик приводит, в свою очередь, к более высокому разрешению. Передискретизация является основой сигма-дельта АЦП.

См. также указания по применению Демистификация сигма-дельта АЦП

Фазовое согласование

Фазовое согласование показывает, насколько хорошо согласованы фазы идентичных сигналов, подаваемых на все каналы многоканального АЦП. Фазовое согласование — это максимальное отклонение фазы среди всех каналов, которое обычно указывается в градусах.

Отказ от источника питания (PSR)

Коэффициент подавления источника питания (PSRR) — это отношение изменения напряжения источника питания постоянного тока к результирующему изменению полной шкалы ошибки, выраженное в дБ.

Ошибка квантования

Для АЦП ошибка квантования определяется как разница между фактическим аналоговым входом и цифровым представлением этого значения. (См. «Квантование».)

Логометрические измерения

Вместо опорного напряжения с постоянным значением часть сигнала, подаваемого на преобразователь (т. е. тензодатчик или мост), подается на вход опорного напряжения АЦП. Этот тип измерения, называемый логометрическим, устраняет любые ошибки, вызванные изменениями опорного напряжения. Пример логометрического измерения с использованием резистивного моста показан на рисунке ниже.

Рис. 8. Логометрическое измерение с использованием резистивной мостовой сети.

Разрешение

Разрешение АЦП — это количество битов, используемых для представления аналогового входного сигнала. Для более точного воспроизведения аналогового сигнала необходимо увеличить разрешение. Использование АЦП с более высоким разрешением также уменьшает ошибку квантования. Для ЦАП разрешение аналогично, но в обратном порядке — увеличение кода, применяемого к ЦАП с более высоким разрешением, дает меньшие размеры шага на аналоговом выходе.

Среднеквадратичное значение (RMS)

Среднеквадратичное значение сигнала переменного тока является действующим значением постоянного тока или эквивалентом постоянного тока этого сигнала. Среднеквадратичное значение сигнала переменного тока вычисляется путем извлечения квадратного корня из сигнала переменного тока, возведенного в квадрат и усредненного по времени. Для синусоиды среднеквадратичное значение составляет 2/2 (или 0,707) от пикового значения, что составляет 0,354 от пикового значения.

Частота дискретизации/частота

Частота дискретизации или частота дискретизации, указанная в выборках в секунду (sps), представляет собой скорость, с которой АЦП получает (выбирает) аналоговый вход. Для АЦП, выполняющих одну выборку за одно преобразование (например, АЦП последовательного приближения, флэш-памяти и конвейерных АЦП), частота дискретизации также называется пропускной способностью. Для сигма-дельта АЦП частота дискретизации обычно намного выше, чем скорость выходных данных.

Время установления

Для ЦАП время установления — это интервал между командой на обновление (изменение) его выходного значения и моментом, когда оно достигает своего окончательного значения в пределах заданного процента. На время установления влияет скорость нарастания выходного усилителя и количество звона усилителя и выброса сигнала. Для АЦП важно, чтобы время, необходимое для установления напряжения на конденсаторе выборки с точностью до 1 LSB, было меньше, чем время сбора данных преобразователя.

Отношение сигнал-шум и искажение (SINAD)

SINAD представляет собой отношение среднеквадратичного значения синусоиды (входной сигнал для АЦП или реконструированный выходной сигнал для ЦАП) к среднеквадратичному значению шума преобразователя плюс искажения (без синусоидального сигнала). Среднеквадратичное значение шума плюс искажение включает все спектральные компоненты вплоть до частоты Найквиста, за исключением основной частоты и постоянного смещения. SINAD обычно выражается в дБ.

Отношение сигнал/шум (SNR)

SNR — это отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде шумовых сигналов в данный момент времени. Для формы волны, полностью восстановленной из цифровых образцов, теоретический максимальный SNR представляет собой отношение полномасштабного аналогового входного сигнала (среднеквадратичное значение) к среднеквадратичной ошибке квантования (остаточной ошибке). Идеальный теоретический минимум шума АЦП вызван только ошибкой квантования. и получается непосредственно из разрешения АЦП (N бит):

(Настоящие АЦП производят тепловой шум, эталонный шум, дрожание тактового сигнала и т. д. в дополнение к шуму квантования.)

Двоичное кодирование со знаком

Знаковый двоичный код — это схема кодирования, в которой старший бит представляет знак (положительный или отрицательный) двоичного числа. Таким образом, 8-битное представление -2 равно 10000010, а представление +2 равно 00000010.

Скорость нарастания

Скорость нарастания — это максимальная скорость, с которой может изменяться выходной сигнал ЦАП, или максимальная скорость, с которой может изменяться входной сигнал АЦП, не вызывая ошибки в оцифрованном выходе. Для ЦАП с выходным усилителем указанная скорость нарастания обычно равна скорости нарастания усилителя.

Полоса пропускания слабого сигнала (SSBW)

Для измерения SSBW подайте на АЦП аналоговый входной сигнал достаточно малой амплитуды, чтобы его скорость нарастания не ограничивала производительность АЦП. Затем поднимите входную частоту до точки, где амплитуда оцифрованного результата преобразования уменьшится на -3 дБ. SSBW часто ограничивается производительностью соответствующего усилителя с функцией отслеживания и удержания.

Динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR)

SFDR представляет собой отношение среднеквадратичной амплитуды основного сигнала (максимального компонента сигнала) к среднеквадратичному значению следующего по величине паразитного компонента без учета смещения по постоянному току. SFDR указывается в децибелах относительно несущей (дБн).

Общее гармоническое искажение (THD)

THD измеряет содержание искажения сигнала и указывается в децибелах относительно несущей (дБн). Для АЦП THD представляет собой отношение среднеквадратичной суммы выбранных гармоник входного сигнала к самой основной гармонике. В измерения включаются только гармоники в пределах предела Найквиста.

Отслеживание и удержание

Отслеживание и удержание, часто называемое «выборка и удержание», относится к схеме входной выборки АЦП. Наиболее простым представлением входа с функцией отслеживания и удержания является аналоговый переключатель и конденсатор. (См. рисунок.) Цепь находится в режиме «отслеживания», когда переключатель замкнут. Когда переключатель размыкается, последнее мгновенное значение входа удерживается на дискретном конденсаторе, и схема находится в режиме «удержания».

Рис. 9. Базовое отслеживание и удержание.

Шум перехода

Шум перехода — это диапазон входных напряжений, при котором выходной сигнал АЦП переключается между соседними выходными кодами. Когда вы увеличиваете аналоговое входное напряжение, напряжения, которые определяют, где происходит каждый кодовый переход (фронты кода), становятся неопределенными из-за связанного с этим переходного шума.

Кодирование с дополнением до двух

Дополнение до двух — это схема цифрового кодирования положительных и отрицательных чисел, упрощающая вычисления на сложение и вычитание. В этой схеме 8-битное представление -2 — 11111110, а представление +2 — 00000010.

Недостаточная дискретизация

Недостаточная дискретизация — это метод, при котором частота дискретизации АЦП ниже, чем частота аналогового входа — условие, вызывающее наложение спектров. Учитывая критерий Найквиста, естественно ожидать, что недостаточная дискретизация приведет к потере информации о сигнале. Однако при надлежащей фильтрации входного сигнала и правильном выборе аналогового входа и частоты дискретизации компоненты с псевдонимами, которые содержат информацию о сигнале, могут быть сдвинуты с более высокой частоты на более низкую частоту, а затем преобразованы. Этот метод эффективно использует АЦП в качестве преобразователя с понижением частоты, сдвигая сигналы с большей полосой пропускания в желаемую полосу частот АЦП. Чтобы этот метод был успешным, полоса пропускания АЦП с отслеживанием и удержанием должна быть способна обрабатывать ожидаемые сигналы с самой высокой частотой.

Однополярный

Для АЦП с несимметричным аналоговым входом униполярный вход находится в диапазоне от нулевой шкалы (обычно земля) до полной шкалы (обычно опорное напряжение). Для АЦП с дифференциальными входами униполярный вход находится в диапазоне от нулевой шкалы до полной шкалы, при этом вход измеряется как положительный вход по отношению к отрицательному входу.

Ошибка нулевой шкалы

См. ошибку смещения (однополярная).

Как найти динамический диапазон АЦП?

спросил 8 лет, 9 месяцев назад

Изменено 1 год, 9 месяцев назад

Просмотрено 49 тысяч раз

\$\начало группы\$

Я купил аналого-цифровой преобразователь, но не придал особого значения динамическому диапазону. Разрешение 12 бит. Минимальное входное напряжение 0В, максимальное 5В.

Проблема в том, что у меня нет таблицы данных, и я хочу знать, как мне найти динамический диапазон этого АЦП?

Дополнительная информация: В нем говорится, что частота дискретизации составляет 10 мегавыборок в секунду.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Динамический диапазон — это отношение максимального напряжения к минимальному напряжению, которое может преобразовать АЦП. {12}\$ или 4096. Таким образом, минимальное напряжение, при котором в АЦП будет установлен только младший значащий бит, составляет 5 В/4096 = 1,22 мВ. Таким образом, динамический диапазон вашего АЦП составляет 5/1,22 мВ = 4096 = 72,2 дБ. В общем, динамический диапазон зависит только от количества битов, а не от максимального входного напряжения. Но я рассчитал, используя напряжение, чтобы показать вам детали.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Динамический диапазон — это отношение (обычно выражаемое в дБ) между минимальным уровнем шума АЦП и максимальным входным сигналом.

Как говорит Брайан в своем комментарии, шум квантования устанавливает нижний предел минимального уровня шума при фактической частоте дискретизации, однако шум реального АЦП будет выше, чем шум квантования.

Кроме того, если вы возьмете АЦП со скоростью 10 Мбит/с и ограничите полосу пропускания, а затем уменьшите выходной сигнал до более низкой частоты дискретизации, динамический диапазон может быть увеличен на целых 10 дБ за десятилетие понижения частоты дискретизации.