Tento článek se bude věnovat výhodám digitální regulační smyčky a jejich problémům při implementaci. Jak si při implementaci poradit s časováním, šumem převodníku, propustností ADC, poměrem signálu k šumu (SNR) a dobou ustálení DAC převodníku? Představíme si 24 bitový ADC převodník AD4630-24 a DAC převodník AD5791 od Analog Devices. Jejich kombinace tvoří základní prvek vysoce přesného a flexibilního měřícího systému.

Digitální regulační smyčka

Regulátory v elektronických systémech zajišťují definované přechodové a ustálené chování. Analogový regulátor obsahuje analogové vstupy a výstupy, mezi kterými prochází nepřetržitě elektrický signál v daném napěťovém rozsahu. Snímač měří vstupní veličinu a tu následně vyhodnocovací obvod porovná s referenčním signálem (obrázek 1).

Obrázek 1: Analogový regulátor motoru používá zesilovače (U1-U5) a několik rezistorů a kondenzátorů. (Zdroj obrázku: Quora)

Obrázek 2: Měřicí systém využívající kombinaci digitálního regulátoru s DAC převodníkem, dvěma ADCpřevodníky a analogovými zesilovači a přepínači. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Proč přejít z klasického analogového regulátoru na digitální? Důvody jsou přesnost, vyšší chybovost při implementaci, flexibilita, rychlost a v neposlední řadě náklady.

Přesnost: Digitální reprezentace analogového signálu je tvořena nulami a jedničkami, přičemž k reprezentaci jedné analogové hodnoty se obvykle používá 32 bitů (obrázek 2). Tento převod vytváří minimální chybu digitální kvantizace, kterou je ale možné řešit. Na druhé straně analogové signály jsou ovlivněny kolísáním napájecího napětí a vnějším šumem, které analogový signál degradují. Dalším faktorem je ten, že analogové regulátory jsou závislé na teplotě a jejich komponenty jsou ovlivněny stárnutím. Účinky stárnutí a teploty na digitální regulátory jsou zanedbatelné.

Chyby při implementaci: Chyby při implementaci jsou v digitálním regulátoru zanedbatelné. Je to proto, že se používají číselné hodnoty reprezentující analogový signál, a tyto hodnoty se jednoduše sčítají či násobí. V analogovém regulátoru je celý proces ovlivněn chybami teplotního driftu a nespolehlivou přesností rezistorů, kondenzátorů a induktorů. Nastavení časové konstanty digitálního regulátoru lze snadno softwarově upravit, zatímco analogový regulátor má pevný počet dostupných časových konstant. Změny digitálního regulátoru lze provádět za provozu, a to umožňuje regulátor přizpůsobit různým podmínkám zatížení a zlepšit tak celkovou účinnost.

Flexibilita: Analogové regulátory nejsou příliš flexibilní, jelikož jakákoliv modifikace znamená zásah do hardware. Digitální regulátor lze jednoduše modifikovat úpravou kódu nebo konfiguračních parametrů. Kromě toho neexistují žádná omezení co se týče struktury digitálního regulátoru. Přidání další aritmetické funkce se provede modifikací kódu.

Rychlost: Výpočetní výkon digitálních obvodů je čím dál tím vyšší, a díky tomu lze vzorkovat signály velmi vysokou rychlostí. Výkon moderního digitálního regulátoru se rovná výkonu analogovému.

Cena: Cena integrovaných obvodů stále klesá, díky pokroku ve výrobě polovodičů. A to činí digitální regulátory cenově přijatelnějšími.

Analogové části v digitálním regulátoru

ADC a DAC převodníky jsou právě hranicí mezi analogovým a digitálním světem. Je nutné odhalit komplementární vlastnosti mezi těmito dvěma převodníky, aby mohly koexistovat ve společném systému. Z hlediska propustnosti systému je klíčové určit rychlostní a šumové charakteristiky celkového přenosu.

Propustnost ADC a DAC převodníku

Propustnost je veličina, která definuje kolik vzorků zvládne převodník zpracovat za jednotku času. Udává se v mega vzorcích za sekundu (MSPS) nebo kilo vzorcích za sekundu (kSPS). Pokud je převodník 24 bitový, celá 24bitová konverze analogového vstupu se přenese již před zahájením další konverze (obrázek 3).

Obrázek 3: Časový diagram digitálního převodníku (Zdroj obrázku: Analog Devices)

ADC převodník s propustností 2 MSPS vydává kompletní slovo každých 500 ns. Bohužel tento samostatný vzorek nevykresluje úplný obraz analogového signálu. Podle Nyquistova teorému musí ADC převodník vzorkovat analogový signál dvojnásobnou frekvencí, než je nejvyšší frekvence vzorkovaného signálu.

DAC převodník je definován hlavně dobou ustálení výstupního napětí. To je čas, kdy dojde k ustálení výstupního napětí na dané úrovni, která odpovídá digitálním hodnotám reprezentující analogový signál (obrázek 4).

Obrázek 4: Na obrázku je vidět doba ustálení výstupního signálu. Nejhorší případ ustálení nastává při přechodu z 100 000 na 011 111. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Doba ustálení na obrázku 4 je kratší než 1 µs. Tato doba se v převrácené hodnotě rovná frekvenci 1 MHz, a to odpovídá 1 MSPS. 

Frekvenční šum ADC a DAC převodníku

Definice šumu vyžaduje pochopení skutečného rozlišení převodníku a efektivní hodnoty šumu (Root-Mean-Square - RMS). Rozlišení převodníku 24-bit, 20-bit nebo 1 ppm udává počet výstupů nebo vstupů ADC nebo DAC. Například 24bitový ADC převodník vzorkuje vstupní signál na slovo o velikosti 24 bitů. 20bitový DAC vytváří analogový signál z 20 bitového slova.

Přesnost převodníku závisí na poměru signálu k šumu neboli SNR. SNR se udává v decibelech a vypočítá pomocí rovnice 1:

V technickém listě DAC převodníku je definován výstupní rozsah napětí. RMS rozlišení se vypočítá pomocí rovnice 2:

Pro ADC převodník s hodnotou SNR 105,7 dB je RMS rozlišení 17,6 bitů. Šum DAC převodníku lze vypočítat ze spektrální hustoty šumu. Výstupní šum DAC se vypočítá pomocí rovnice 3:

Pokud má například 20bitový DAC převodník spektrální hustotu šumu 7,5 nV/√Hz a šířku pásma 500 kHz, DAC _šum se rovná 5,3 µV (RMS). Od této hodnoty se RMS rozlišení DAC s 5 voltovým výstupním rozsahem rovná 19,8 bitům.

Digitální regulátor a přesné měření

Příklad systému pro testování digitálních řídicích obvodů pro mobilní, automobilové a IoT aplikace obsahuje devět částí plus jeden rezistor (obrázek 5). Systém obsahuje mikroprocesor, ADC a DAC převodník, budicí zesilovač, zesilovač s nastavitelným ziskem a přepínač ADG1236 SPDT od Analog Devices. Mikroprocesor má na starosti digitální rozhraní a výměnu dat mezi ADC a DAC ( AD4630-24 a AD5791).

Obrázek 5: Digitální regulátor používá mikroprocesor ke správě dat mezi ADC a DAC. Oba převodníky vyžadují ke své činnosti zesilovače. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

24bitový ±0,9 ppm AD4630-24 integrální nelineární ADC převodník má propustnost 2 MSPS s hodnotou SNR 105,7 dB a je schopen vysílat 17,6 bitů (RMS).

20bitový ±1 LSB AD5791 DAC převodník s dobou ustálení 1 µs spektrální hustotou 7,5 nV/√Hz a 19,8 bitů (RMS). Tento DAC převodník při rychlosti 1 MSPS vyžaduje 4 µs pro přesné generování analogových signálů.

Převodníky v tomto systému vyžadují operační zesilovač pro řízení výstupního napětí a analogového zisku. Na obrázku 5 je výstupní operační zesilovač rail-to-rail AD8675 10 MHz, 2,8 nV/√Hz.

Diferenciální zesilovač s programovatelným zesílením LTC6373 poskytuje jak dostatečné zesílení tak i potřebný stupeň izolační bariéry. Změnu úrovně digitálního zisku LTC6373 lze provést i za chodu, a to je obrovská výhoda oproti analogovému řešení.

Závěr

Posun od klasických analogových regulátorů k digitálním řídicím smyčkám je nevyhnutelný. Digitální řešení poskytuje vyšší přesnost, flexibilitu a nižší náklady, ale vyžadují pečlivou pozornost při výběru ADC a DAC převodníku. Kombinace AD4630-24 24-bit SAR ADC a AD5791 20-bitovým DAC od Analog Devices je základem vysoce přesného a flexibilního digitálního regulátoru.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com