Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №9

Сигма-дельта АЦП AD7732/AD7734/AD7738/AD7739 в системах с низким энергопотреблением

Миани Том  
Власенко Алексей  

В статье рассматривается аналого-цифровой преобразователь AD7739, но описанные подходы также распространяются на AD7732, AD7734 и AD7738.

Введение

Цель данной статьи — продемонстрировать, каким образом можно оптимизировать применение сигма-дельта преобразователей в схемах с низким энергопотреблением (таблица).

Таблица. Энергопотребление в различных режимах

Особенности аналого-цифрового преобразователя AD7739 делают его весьма привлекательным с точки зрения энергопотребления системы в целом по сравнению со многими, на первый взгляд, очень экономичными АЦП. В данной статье рассматриваются эти особенности.

Система на кристалле

При сравнении AD7739 или других представителей семейства с прочими малопотребляющими АЦП необходимо принимать во внимание функции, интегрированные на кристалле AD7739. На блок-схеме преобразователя показано, что в AD7739 имеется встроенный буфер-усилитель, мультиплексор, генератор тактовых импульсов, 2-выводной порт, быстродействующий цифровой интерфейс и схема калибровки.

В схеме АЦП имеется буфер-усилитель. Быстродействующий сигма-дельта АЦП без буфера — очень плохая нагрузка для любого источника сигнала. Обычно аналоговый вход сигма-дельта АЦП без буфера как нагрузка представляет собой конденсатор емкостью от 4 до 40 пФ. Этот конденсатор разряжается и затем заряжается от источника сигнала с частотой работы сигма-дельта модулятора. В быстродействующих сигма-дельта АЦП частота работы модулятора может составлять несколько мегагерц. Встроенные буферы ИС AD7739 (рис. 1) оптимизированы для работы с модулятором, и спецификации АЦП приведены с учетом буфера. При напряжении питания 5 В буфер потребляет около 25 мВт. В преобразователе AD7738 выход мультиплексора выведен наружу. Это означает, что можно вместо встроенного буфера использовать внешний.

Рис. 1. Блок-схема АЦП AD7739

Однако автор затрудняется порекомендовать внешний буферный усилитель, который был бы лучше встроенного. Такой усилитель должен обеспечивать время установления не более 180 нс с 16-разрядной точностью, работать от 5-вольтового источника питания и обеспечивать работу с сигналом в пределах от 0,2 до 4,7 В по входу и выходу, кроме того, обеспечивать уровень шума не более 1 мкВ (среднеквадратичное значение), обладать минимальным дрейфом смещения и усиления, хорошей линейностью, хорошим КОСС, занимать минимальное место на плате и потреблять менее 30 мВт на пару буферных усилителей.

AD7738 и AD7739 позволяют отключить встроенный буферный усилитель. Это может оказаться полезным при работе с низкоимпедансным источником. В преобразователях AD7732 и AD7734 буферный усилитель не следует отключать, так как у этих ИС на входе имеются встроенные высокоимпедансные делители напряжения.

Другие особенности

Наличие триггера Шмитта на входах цифрового порта может способствовать уменьшению потребляемой мощности в системе, так как позволяет использовать медленные оптопары в цифровой сигнальной цепи, либо избавить от необходимости применения лишних оптопар.

Если рассеиваемая мощность системы и температура платы высоки, то применение AD7739 может быть оправдано также потому, что данная ИС имеет достаточно высокий рабочий температурный диапазон — до 105 °C.

Переключение в режим пониженного потребления

Представители данного семейства оптимизированы для работы в многоканальном режиме с переключением каналов. Выходной сигнал полностью устанавливается, и АЦП AD7738 обеспечивает преобразование с 18-разрядной точностью (эффективное значение) за 65 мкс.

Если необходимо получить 16-разрядное разрешение «без дрожания», преобразователь потратит на это 125 мкс (что такое «эффективное» разрешение и разрешение «без дрожания», описано в статье М. Маккарти [1]). Таким образом, чтобы получить чистые 16 разрядов по 8 каналам, достаточно 1 мс, если применить внутренний секвенсор (встроенную схему переключения каналов). Если в системе требуется производить оцифровку каждого из 8 каналов с частотой 100 Гц, то преобразователь AD7738 может «спать» в течение 9 мс, затем осуществлять преобразования в течение 1 мс и таким образом обеспечивать энергопотребление около 10 мВт, или 1 мВт на канал (рис. 2).

Рис. 2. Средняя потребляемая мощность при использовании режима ожидания

Чтобы войти в режим ожидания, необходимо записать код 011 в биты режима в регистре режима. Кроме того, если применяется внешний кварц, то для минимизации энергопотребления необходимо соединить выводы CLKIN и CLKOUT внешним резистором 10 МОм и при остановке преобразователя установить бит запрещения тактовых импульсов (clock disable) — при этом генератор выключится.

В режиме отключения интерфейс преобразователя AD7738 по-прежнему активен. Это значит, что контроллер может считывать результат преобразования или конфигурировать регистры АЦП, когда преобразователь находится в режиме пониженного энергопотребления (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость энергопотребления от частоты отсчетов в случае использования режима ожидания

Перевод контроллера в режим пониженного энергопотребления

Вместо того чтобы переводить АЦП в режим ожидания, можно отключать управляющий контроллер. Такой подход разумен, если АЦП работает в режиме с низкой частотой обновления сигнала, в многоканальном режиме, или если управляющий контроллер относительно неэкономичный.

Преобразователи семейства AD773x можно настроить на автоматическую оцифровку сигналов по всем разрешенным каналам, и затем АЦП будет переводить вывод RDY в низкое логическое состояние, сообщая контроллеру, что данные по всем каналам готовы для считывания. Так как AD7738 имеет отдельный 24-разрядный регистр данных для каждого канала, все данные можно считать из этих регистров без потерь. Последовательный интерфейс АЦП AD7738 способен работать на частоте 10 МГц, что позволяет считать восемь 16-разрядных величин за 20 мкс(2,5 мкс на канал). В зависимости от того, какая требуется обработка результата, возможна работа в режиме, когда данные обрабатываются одновременно со считыванием следующего результата. Тогда все время, затраченное на обработку данных, составит порядка 20 мкс.

В качестве примера предположим, что AD7739 сконфигурирован таким образом, чтобы преобразовать 8 отсчетов в разных каналах за 20 мс. Это соответствует частоте отсчетов 400 Гц. В таком режиме AD7739 может обеспечивать эффективное разрешение 21 бит. Каждые 20 мс АЦП будет подавать сигнал по выходу RDY и вызывать прерывание контроллера, который затем просыпается, считывает и обрабатывает данные преобразования, прежде чем опять перейти в режим пониженного энергопотребления.

Данная статья представляет собой перевод руководства по применению AN 664.

Литература

  1. Маккарти М. АЦП: разрешающая способность «от пика до пика» и эффективная разрешающая способность. AN-615. http://www.analog.spb.ru/Public/AN615R.pdf

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке