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

Введение

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

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.

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).

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).

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.