För precisionsmätningar brukar man använda A/D-omvandlare av typen delta/sigma för att få många bitars upplösning. De begränsas dock av mycket låg bandbredd och spurioser. Alison Steer, produktmarknadschef för blandsignalprodukter inom Linear Technology Corp skriver här om en ny typ av omvandlare med successiv approximation (SAR) som kan konkurrera med delta/sigmaomvandlare och lösa dess problem.

Marknaden för noggranna analog/digital-omvandlare (A/D, eng. ADC) domineras idag av delta/sigma-omvandlare. De har stort dynamiskt område, noggranna DC-prestanda och hyfsade priser. Modern SAR-teknik kan dock konkurrera i dessa avseenden men är betydligt snabbare.

En delta/sigma-baserad A/D-omvandlare översamplar avsiktligt insignalen med en delta/sigma-modulator följt av ett digitalt decimeringsfilter. Det ger lågt brus men långsam utgående datahastighet. En annan fördel med översampling är att det externa, analoga antivikningsfiltret kan göras betydligt enklare eftersom det digitala filtret bestämmer frekvenssvaret i passbandet.

Ny SAR-teknik
Linear Technologys moderna SAR-teknik för A/D-omvandlare ger bättre prestanda för noggranna tillämpningar och konkurrerar med de bästa delta/sigma-omvandlarna i fråga om DC-specifikationer (INL, DNL, offset, förstärkningsfel och stabilitet). Samtidigt behåller den hög samplingshastighet och låg fördröjningsfri funktion.

Snabbsamplande SAR-omvandlare används ofta för att översampla signaler med låg bandbredd. Traditionell översampling möjliggör användning av ett decimeringsfilter (lågpassfilter + nedsampling), som ökar systemets dynamiska område.

En annan fördel med översampling är att det minskar de krav som ställs på det analoga antivikningsfiltret. Utan översampling måste det analoga antivikningsfiltret ha en brant karakteristik vilket ökar dess komplexitet. Översampling gör det i stället möjligt att använda ett enkelt analogt filter av låg ordning och tillsammans med det används ett digitalt filter för att skapa ett blandsignalbaserat antivikningssfilter med mycket brant karakteristik.
Nackdelen är dock att filtreringsbördan ligger på värdprocessorn: Det krävs en snabb processor för att mycket snabbare samla in data från ADC-utgången.

Nytänkande
Av dessa skäl har Linear Technology närmat sig precisionsmarknaden på ett annat sätt, nämligen genom att kombinera den höga noggrannheten och hastigheten hos den egenutvecklade SAR A/D-omvandlararkitekturen med integrerade digitala filter.

De senaste produkterna är LTC2508-32 och LTC2512-24.
LTC2508-32 är en 32-bitars 1 Msps SAR A/D-omvandlare med ett integrerat, pin-konfigurerbart digitalt filter som är optimerat för precisionstillämpningar med låg bandbredd.
LTC2512-24 är en 24-bitars, 1,6 Msps SAR A/D-omvandlare med integrerat filter, optimerat för tillämpningar vid högre bandbredd.
LTC2508-32 har hela 145 dB dynamiskt område vid den lägsta uthastigheten på 61 sps, medan LTC2512-24 ger 117 dB vid uthastigheten 50 ksps.

En viktig aspekt på D/S-omvandlarna är att modulatorns utgång inte kan användas direkt. Detta eftersom det är en lågupplöst signal med format kvantiseringsbrus och mycket lågt SNR. Flera olika tekniker används för att omforma en delta/sigma-modulators kvantiseringsbrus. Generellt sker det genom att knuffa upp bruset till en högre frekvens där det lättare kan filtreras medan de intressanta signalerna ligger på lägre frekvenser, inom filtrets passband.

Spurioser
Modulatorns utgång filtreras sedan med ett lågpassfilter för att ge användbara omvandlingsresultat. En delta/sigma-modulator lider dock på grund av sin arkitektur av spurioser i sitt utgångsspektrum. Därmed kan spurioser från modulatorn ge sig tillkänna i passbandet, vilket de också gör.

Att försöka leta efter en liten signal kan vara nästan omöjligt i närvaro av sådana spurioser. A/D-omvandlare med successiva approximeringsregister (SAR) lider inte av sådana problem, utan har ett nära nog idealiskt spektrum av karaktären vitt brus. Därmed borde SAR-A/D vara ett bättre alternativ för detektering av toner eller vibrationer vid otroligt låga energinivåer. Många SAR-A/D lider dock fortfarande av diskontinuiteter i DC-överföringsfunktionen på 16- till 18-bitars nivå, vilket försämrar DC-prestanda.

LTC2508-32 och LTC2512-24 har välanpassade linjära egenskaper, utan saknade koder. Det gör att tillämpningar kan dra full nytta av det fantastiska dynamiska området för filtrerade utgångsdata.

Med en spektraldensitet för brus på endast 22 nV_RMS/√Hz erbjuder LTC2508-32 prestanda med lägre brus än hos någon konkurrerande A/D-lösning vid 24-bitars eller 32-bitars upplösning. Se fig 1 nedan. Till skillnad från en delta/sigma-sigma-modulators utgång har utgången från denna SAR-omvandlare från Linear Technology en platt spektraldensitet för brus, utan toner att brottas med. Det innebär att det digitala filtret kan utformas godtyckligt enligt de krav som sluttillämpningen ställer, snarare än att filtrera modulators brus och toner.
Filtret i LTC2508-32 följer arkitekturen ”spread-sinc” vilket representerar en noga vald balans mellan stopbanddämpning och inställningstid.
LTC2512-24s digitala filter har ett ”kompromisslöst” plant passband på 0,001 dB upp till f_o/4 (halva Nyquist-området). LTC2512-24-filtrets övergångszon och stopbandsdämpning är mindre aggressiv än i många delta/sigma-filter, vilket möjliggör snabbare inställningstid och mindre artefakter i tidsdomänen. Det är återigen frånvaron av toner som gör ett sådant filter praktiskt.

LTC2508-32 erbjuder fyra pin-selekterade decimeringsfilter. Dess egenskaper listas i tabell 1. De fyra olika decimeringsfiltren gör det möjligt för konstruktörer att kompromissa mellan brus och bandbredd beroende på val av tillämpning.

I varje konfiguration av LTC2508-32 är det digitala filtret ett lågpassbaserat FIR-(finite impulse response)-filter med linjär fasgång. Det digitala filtrets utgång nedsamplas sedan med motsvarande nedsamplingsfaktor (DF). Därmed blir den utgående datahastigheten (f_O) lika med f_SMPL/DF.
I samtliga alternativa decimeringsfilter är -3 dB-bandbredden omvänt proportionell mot valt DF-värde.

Hög dynamik
Samtliga konfigurationer ger en minsta dämpning på 80 dB för frekvenser inom området f_O/2 och f_SMPL – f_O/2. För varje fyrfaldig ökning av nedsamplingsfaktorn ökar A/D-omvandlarens dynamiska område med cirka 6 dB, vilket resulterar i ett dynamiskt område från 131 dB vid DF=256, upp till 145 dB vid DF=16384. Det motsvarar ett effektivt antal bitar (ENOB) på 24 bitar. Observera att det är viktigt att A/D-resultatet begränsas av en process som är bygger på brusets kvalitet, dvs termiskt brus, inte dess kvantiseringsbrus.
Det innebär att en A/D borde ha åtminstone några fler bitar än ENOB! Med 32-bitars utgångsvärde ger LTC2508-32 ett tillräckligt antal bitar för att representera filterdata vars antal bitar räknas i heltal.

Tabell 1: Egenskaper hos filter i LTC2508-32

Utgången från LTC2508-32 har alltid nått slutvärdet efter 10 utklockade data, oavsett av DF. När nedsamplingfaktorn ökar kommer bandbredden att minska: Det begränsar bruset och därmed ökar det dynamiska området.

Med en nedsamplingsfaktor på 256 är -3 dB-bandbredden hos den filtrerade utgången 480 Hz, vilket resulterar i en utgående datahastighet på 3906 sps.
Vid högsta DF på 16384 ligger -3 dB-bandbredden på snäva 7,5 Hz, vilket ger högsta filtrering av bruset och resulterar i den långsammaste utgående datahastigheten på 61 sps.

Fig 1: LTC2508-32s steg-baserade svar

LTC2508 erbjuder dessutom dubbla utgående dataströmmar, 32-bitars digitalt filtrerad version av insignalen och fördröjningsfri(latency free, latensfri) 22-bitars kompositutgång direkt från ingångsstegets SAR-omvandlare.

Den latensfria utgången utgörs av en 14-bitars kod som representerar den differentiella ingången och en 8-bitars kod som representerar den gemensamma inspänningen.
Den latensfria utgången är framför allt användbar i styrtillämpningar för snabb följning av insignalen och ger omedelbar återkoppling vid ändrade lastförhållanden. Den kan också användas för att övervaka kvaliteten hos den inkommande signalen och påvisa exempelvis systemfel genom att detektera alltför brusiga eller oscillerande signaler som kan döljas i det digitala filtret. Informationen kan användas i kombination med 8-bitars ”common mode”- värdet för förebyggande underhåll.

Om ”common mode”-spänningen ändras kan det peka på problem uppströms, som eventuellt kan leda till att utrustningen inte fungerar. För konstruktören liknar detta ”två A/D-omvandlare i en”, som erbjuder perfekt matchade representationer av insignalen och som inte lider av problem med misspassning eller avvikelser.

LTC2512-24 liknar i många stycken LTC2508-32, med sina fyra pin-selekterade decimeringsfilter, som visas i tabell 2. Fig 2 visar amplitudsvaret för det digitala filtret från DC till f_O, den utgående datahastigheten. Nedsamplingsfaktorer från 4 upp till 32 stöds, vilket resulterar i 3 dB förbättring av det dynamiska området för varje fördubbling av nedsamplingsfaktorn. LTC2512-24 har samma utgående 22-bitars kompositkod, vilket ger en nästan ideal realtidsbaserad representation av insignalen. För LTC2512-24 stabiliseras utgången alltid efter 35 utgångsampel.

Tabell 2. Filteregenskaper hos LTC2512-24

Fig 2: Frekvenssvarets storlek i LTC2512-24s digitala filter. f_O = f_SMPL/DF

Perfekt för oljeprospektering
LTC2508-32 är en fantastisk kandidat för seismologiska tillämpningar samt utforskning av olje- och gasfyndigheter, där A/D-omvandlare måste hantera extremt svaga signaler som är begravda i brus.
Den högre bandbredden och det platta passbandet hos LTC2512-24 är eventuellt lämpligare för medicinska instrument. Det kan exempelvis vara EKG-utrustning som behöver den filtrerade utgångens stora dynamiska område, samtidigt som den utnyttjar den latensfria utgången för realtidsinformation som exempelvis lokalisering av probar.
A/D-omvandlarna passar utmärkt för alla precisionstillämpningar i vilka ingår en styrslinga som snabbt måste reagera på insignalens ändringar, något som den långsammare, filtrerade utgången inte gör.
Alison Steer, produktmarknadschef för blandsignalprodukter inom Linear Technology Corp

Filed under: Analogteknik