Nowa generacja przetworników A/C typu SAR

W obydwu układach maksymalna prędkość próbkowania wynosi 2 MS/s. Oba układy zoptymalizowano pod kątem niskiego zużycia energii. Zapewniają one również bardzo dobrą liniowość oraz małe szumy i zniekształcenia. ADS7863 i ADS7865 są następcami układów ADS7861 i ADS7862 firmy Burr-Brown, które zoptymalizowano pod kątem sterowania silnikami zmiennoprądowymi. Ich prędkość próbkowania wynosiła 500 kS/s, co zapewniało szybkie pobieranie sygnałów z czujników. Do pomiaru kąta często stosuje się enkoder składający się z okrągłego elementu wykonanego ze szkła, na którym znajduje się kilka tysięcy równo rozmieszczonych pasków. Do zliczania pasków stosowane są fotodiody.

Rys. 1. Schemat blokowy układu ADS7863

Istnieje możliwość zwiększenia rozdzielczości o ile nie tylko będą liczone paski, ale dodatkowo wykonywany będzie pomiar napięcia na fotodiodach za pomocą przetwornika A/C. Jeżeli obroty silnika wynoszą 7500 rpm, a enkoder zawiera 4000 pasków, to częstotliwość wyjściowa sygnału enkodera dochodzi do 500 kHz. Pomiar wartości chwilowej sygnału następuje zazwyczaj w określonym punkcie czasowym pętli sterowania, co w obecności zaburzeń na przykład ze strony układu zasilania może prowadzić do fałszywych wyników. Jeżeli proces przełączania następuje w trakcie pomiaru wykonywanego przez przetwornik A/C, może dojść do znacznego odchylenia wyniku.

W związku z tym niektóre z nowszych rozwiązań zamiast pomiaru chwilowego próbkują sygnały enkodera w sposób ciągły. Przetwarzany sygnał można następnie filtrować, co pozwala na wytłumienie zakłóceń. Zgodnie z twierdzeniem Nyquista, aby sygnał ciągły dało się wyrazić bez strat w postaci danych cyfrowych, prędkość próbkowania musi być większa niż dwukrotna maksymalna częstotliwość występująca w widmie sygnału. Sygnał enkodera o częstotliwości 500 kHz wymaga więc przetwarzania z prędkością co najmniej 1 MS/s. W nowych przetwornikach ADS7863 i ADS7865 przyjęto prędkość próbkowania równą 2 MS/s.

Rys. 2. Obwód próbkująco-pamiętający z elementami pasożytniczymi

Celem projektowym było utrzymanie na niskim poziomie zniekształceń harmonicznych (THD) powstających podczas próbkowania, utrzymanie szumów przetwornika na poziomie wcześniejszych produktów oraz zachowanie zakresu wejściowego 5V bez zwiększenia poboru mocy. Zniekształcenia pojawiające się przy wyższych częstotliwościach są najczęściej spowodowane nieliniową rezystancją wejściową klucza wejściowego oraz nieliniowymi pojemnościami pasożytniczymi przetwornika (patrz rysunek 2). Efekty te można zminimalizować poprzez zmniejszenie pojemności kondensatora próbkującego. Wiążą się z tym jednak pewne niedogodności. Przede wszystkim nieliniowość różnicowa (DNL) i tłumienie sygnału współbieżnego (CMR) zależą od dopasowania kondensatorów. Im mniejsza pojemność, tym gorsze dopasowanie.

Pojemność dobiera się więc pod kątem zoptymalizowania parametrów przetwornika. Co więcej, szum próbkowania, zwany również szumem kT/C, wzrasta wraz ze zmniejszaniem pojemności kondensatora próbkującego. Jednak dominujące są inne źródła szumów, np. szumy cieplne bufora napięcia referencyjnego i komparatora. Możliwa jest zwłaszcza redukcja szumów źródła napięcia referencyjnego. W układach ADS7861 i ADS7862 na jego wejściu znajduje się szybki bufor wewnętrzny, który potrafiponownie naładować kondensatory wewnętrzne przetwornika A/C w ciągu połowy cyklu zegara. W przetwornikach ADS7863 i ADS7865 nie ma bufora, natomiast jest wykorzystywany zewnętrzny kondensator o pojemności minimum 500nF, znajdujący się na wejściu źródła napięcia referencyjnego.

Rys. 3. Koncepcja nowego programowalnego źródła napięcia referencyjnego

Gromadzi on dostatecznie duży ładunek, aby w trakcie przetwarzania sygnału ponownie naładować kondensatory wewnętrzne bez powodowania spadku napięcia powyżej ¼ LSB. Kondensator zewnętrzny wymaga następnie ponownego naładowania w ciągu jednego cyklu przetwarzania, tak więc wymaganą szerokość pasma można istotnie zmniejszyć. Mniejsza szerokość pasma pozwoli z kolei na utrzymanie małych szumów przy wyższych prędkościach przetwarzania, przy jednoczesnym niskim poborze mocy. Niestety, do stabilnej pracy z dużymi kondensatorami konieczne są specjalne źródła zasilania, które jednocześnie muszą gwarantować odpowiednio niską impedancję. Dlatego też układy ADS7863 i ADS7865 są wyposażone w wewnętrzne układy napięcia referencyjnego z takim właśnie wyjściem.

Ponadto, napięcie to można programować od 0,5 do 2,5V, nie są więc potrzebne żadne dodatkowe obwody pomiędzy specjalnym wyjściem i kondensatorem (patrz rysunek 3). Napięcie referencyjne można też programować na 2,5V przy zasilaniu 2,7V. Pozwala to na przetwarzanie sygnałów całkowicie różnicowych ±2,5V wokół napięcia współbieżnego 1,35V (patrz rysunek 4). Szum sygnału współbieżnego będzie tłumiony na poziomie 72dB. W ten sposób utrzymana zostanie wysoka integralność sygnału.

Więcej o przetwornikach

Przetwornik może działać w szerokim zakresie napięć zasilania od 2,7 do 5,5V. W porównaniu z wcześniejszymi układami ADS7861 i ADS7862 redukcja długości bramek w procesie półprzewodnikowym nie jest możliwa ze względu na pracę z napięciem 5V. Dzięki pracy z czterokrotną prędkością przetwarzania nowy układ napięcia odniesienia zapewnia jednak niski pobór mocy, który przy napięciu 5V wynosi tyle samo, co w jednym z wcześniejszych produktów.

Rys. 4. Różnicowy sygnał wejściowy

Praca z napięciem 2,7V redukuje straty mocy z 35,5mW do 13,5mW. Nowe przetworniki oferują ponadto różne tryby oszczędzania energii. Gdy przetwornik nie jest wykorzystywany, przełączenie w tryb obniżenia poboru mocy (Power-Down) pozwala zazwyczaj zredukować prąd zasilania do poziomu 10nA. Jeżeli prędkość próbkowania wynosi poniżej 2 MS/s, układ może pracować w trybie uśpienia (NAP), w którym wszystkie szybko stabilizowane bloki wewnętrzne są wyłączane, a obwody wymagające dłuższego czasu do osiągnięcia stanu ustalonego pozostają pod napięciem.

W ten sposób pobór prądu jest zmniejszany z 7,1mA do 1,4mA. Urządzenie jest gotowe do przetwarzania sygnału w ciągu 200ns od ponownego przełączenia w normalny tryb działania. Nowa funkcja wymaga programowania przez złącze cyfrowe. ADS7863 zawiera wejście szeregowe, a ADS7865 dwukierunkowe złącze równoległe, które można zasilać napięciem od 2,7 do 5,5V. Napięcie odniesienia, różne tryby oszczędzania energii oraz wybór kanału wejściowego są programowane za pośrednictwem złącza cyfrowego. Przetworniki ADS7861 i ADS7862 były pierwotnie wyposażone w dwa całkowicie różnicowe wejścia na każdy kanał. W wielu zastosowaniach wejścia są połączone w konfiguracji pseudoróżnicowej (ujemne podłączone na stałe do napięcia 2,5V, a dodatnie oscylujące o ±2,5V wokół poziomu 2,5V).

Rys. 5. Prąd zasilania w trybach NAP i PD w zależności od prędkości przetwarzania

W takim przypadku wystarczy pojedynczy pin ujemny, współdzielony na wszystkie kanały i podłączony do napięcia 2,5V oraz trzy pozostałe piny, które są traktowane jako wejścia dodatnie. W ten sposób każdy przetwornik jest w stanie przetwarzać trzy sygnały asymetryczne. Funkcję tę zaimplementowano także w układach ADS7863 i ADS7865. Podsumowując, nowe układy zapewniają te same parametry pracy przy niezmienionym poborze prądu, oferując jednak czterokrotnie większą prędkość przetwarzania. Mogą pracować w szerokim zakresie napięć zasilania części analogowej i cyfrowej (od 2,7 do 5,5V).

Dodatkowy tryb Power-Down przydaje się w urządzeniach szczególnie wrażliwych na wahania poboru mocy. Rozwiązania wykorzystują nową koncepcję napięcia odniesienia, zazwyczaj trudniejszą do zastosowania, jednak w tym konkretnym przypadku dającą dodatkową możliwość programowania napięcia referencyjnego. Tryb pracy wejścia może być także programowany: istnieje możliwość wyboru między dwoma sygnałami całkowicie różnicowymi, które można multipleksować do każdego z dwóch przetworników, albo trzema sygnałami asymetrycznymi.

Frank Ohnhaeuse, Texas Instruments