Při nedávné návštěvě na stránkách společnosti Analog Devices jsme si krátce rozebrali možnosti 18bitového rozdílového A/D převodníku PulSAR® AD7960, který jsme pro jeho vzorkovací rychlost 5 MS/s a spotřebu jen 39 mW po právu nazvali eko – formulí mezi převodníky. Novinku, která se loni dostala mezi stovku vybraných produktů EDN Hot 100 products of 2013, dnes konečně zapojíme na desce plošného spoje.

 

 

 

Jako „support“ se dnes označuje kdeco. Původní význam slovesa však toho v sobě nese mnohem více, mimo jiné též myšlenku jakéhosi „dokladu správnosti“. A přesně v takovém duchu svou „oporu“ vnímá i Analog, třebaže, jak připouští, těch správných cest může být i víc. V části Design Support na jejich domovské stránce kupříkladu narazíme na šikovné Circuits from the Lab® Reference Designs, jinak též stovky prověřených referenčních návrhů z dílny předních odborníků svého oboru, kteří se jen tak před něčím nezastaví.

 

 

Modulární přístup, software a kódy, podpora rychlých prototypů s hradlovými poli či mikrokontroléry, schémata zapojení, layouty, soupisky součástek a vše vysvětlující dokumentace vůbec – k tomu všemu a řadě dalšího se můžeme jednoduše dostat třeba výběrem jedné z následujících kategorií: letecké a kosmické technologie & obrana, automobilový průmysl, technologie pro budovy / stavby, komunikace, spotřební elektronika, energie a energetika, zdravotní péče, přístrojová technika a měření, řízení motorů a napájení, řízení procesů a průmyslová automatizace, dohled a zabezpečení nebo také čidla.

 

 

Vedle výše zmiňovaných aplikací a také klíčových slov budeme dále volit i na základě použité technologie a filtrovat si tak např. hodiny a časování, optická vlákna, MEMS a senzory, audio / video a řadu dalších oblastí zájmu. Obavy zde nejsou na místě a výrobce, spíše než na sáhodlouhý sběr údajů o vývojářích a jejich projektech, vsadil spíše na volné poskytování užitečných informací a nástrojů. Zaregistrovat se můžete klidně někdy jindy. A pro ty, co rádi video, zde máme další odkaz.

 

My se ale k našemu obsahu typu Circuit Note dostaneme přímo ze stránky A/D převodníku AD7960: 18-Bit, 5 MSPS PULSAR® Differential ADC.

 

 

 

Na obr. 3 vidíme kompletní řešení signálového řetězce precizního sběru dat s nízkou hladinou šumu a malou vlastní spotřebou. V 18bitovém systému se vzorkovací rychlostí 5 MSPS (!) se toho ztratí málo, přesněji jen 122 mW. Může za to zejména použitý A/D převodník společně se zbývajícími součástkami okolo něj. Na způsobu jejich zapojení zase tolik zajímavého nebude – reference, její buffer, buzení s operačními zesilovači a rozhraní mezi analogovým a číslicovým světem, ADC, zkrátka osvědčená „klasika“, která však v tomto optimalizovaném řešení s minimem zastavěné plochy vykazuje odstup SNR 99 dB a zkreslení THD -117 dB. Není nutné pátrat dále, základní schéma je k dispozici i s hodnotami odporů a kapacit.

 

 

Zapojení tohoto druhu bývají ceněna především pro své přesně vytipované obvody, které sice ve většině případů ponesou logo stejného výrobce, na druhé straně se však můžeme spolehnout, že nám nebudou zbytečně degradovat požadované vlastnosti systému, ba právě naopak, a zároveň nám odpadne zdlouhavé srovnávání parametrů s dalšími obvody, které si jejich „stáje“ pro jistotu specifikují za svých vlastních jedinečných podmínek. Na společného výrobce by také mohli slyšet distributoři, kteří umí tu a tam pustit nějakou projektovou slevu. Ale dost bylo řečí, jako ideální kandidát pro buzení precizního SAR ADC AD7960 byl zvolen obvod ADA4897-1. Jedná se o nízkošumový (typ. 1 nV/√Hz) a nízkopříkonový (3 mA) zesilovač s výstupem rail-to-rail, mezi jehož přednosti zařadíme mimo jiné šířku pásma 230 MHz, rychlost přeběhu 120 V/μs a také schopnost ustálit se na 0,1 % během 45 ns.

 

Signály vstupující do operačních zesilovačů ADA4897-1 filtrujeme RC článkem 820 Ω / 100 pF s šířkou pásma 2 MHz. Další filtrační člen pak řadíme na vstupu A/D převodníku AD7960, tentokrát s hodnotami 33 Ω / 56 pF a šířkou 86 MHz. Posledně jmenovaný filtr nejen že omezí šum, zatěžující vstupy převodníku, ale bude mít své opodstatnění též vzhledem ke vstupnímu bloku AD7960 cap DAC. Abychom pak dosáhli minimální ztráty společně s optimální úrovní zkreslení našeho systému, přivedeme ke vstupním budičům ADA4897-1 napájení o velikosti +7 V a -2,5 V. Výstupní část obvodu ADA4897-1 bude typu rail-to-rail, zatímco se ke každé z napájecích hladin smíme přiblížit s odstupem až 150 mV.

 

Rozpětí rozdílového vstupu A/D převodníku definuje externě generované referenční napětí 5 V nebo 4,096 V. Na obr. 3 se o vše postará precizní 5 V reference ADR4550 s nízkou vlastní spotřebou, max. 950 μA, stejně tak svým výstupním šumem, maximální počáteční chybou ±0,02 % a rovněž odpovídající teplotní stabilitou. Pro své vlastnosti si mimochodem vysloužila osazení hned ve čtyřech referenčních návrzích Analog Devices (na HW serveru viz také článek Nezašumí a neodjede: reference přesná a ještě přísnější). Pro účely oddělení vnější reference a také souhlasného výstupního napětí (common-mode) převodníku AD7960 se nabídl buffer AD8031, který upotřebíme jak v bateriově napájených zařízeních s velkou šířkou pásma tak ve vysokorychlostních systémech, kde si bude vyšší hustota součástek na desce žádat též nižší výkonové ztráty. Stojí za zmínku, že s operačním zesilovačem AD8031 zajistíme stabilitu i v případě větších zátěží kapacitního charakteru, což může být obecně problém. Zmíněný obvod tak může na svém výstupu budit blokovací kapacity, vyžadované k minimalizaci napěťových špiček způsobených přechodovými jevy – proudy.

 

 

Rozdílový převodník při své činnosti zpracovává fázově posunuté vstupy IN+ a IN−, přičemž se v našem případě dále neobejdeme bez pomocného souhlasného napětí V_CM, rovného polovině referenčního a, podobně jako v případě samotné reference +5 V, v tomto případě též odděleného nízkošumovým operačním zesilovačem AD8031. Vstupní bloky ADA4897-1 budou pracovat s jednotkovým zesílením a budit přitom vstupy ADC AD7960 rozdílovými signály s fázovým posunem 180° a rozkmitem od 0 V až do 5 V. Převodník je napájen z +5 V (V_DD1) a +1,8 V (V_DD2 a V_IO), k jejichž výrobě můžeme třeba použít lineární stabilizátory ADP7104 a ADP124 (na HW.cz čtěte též Spínaný zdroj a rušení A/D převodníku. Skutečně ovlivní přesnost měření?). Na výstupu A/D převodníku konečně dostává prostor vysokorychlostní sběrnice LVDS (Low Voltage Differential Signaling). K dalšímu přenosu a zpracování dat bude proto nutné přivést signály CLK+/CLK−.

 

 

 

Vzhledem k tomu, že se článek zaměřil především na popis zapojení, vše další již nalezneme ve zmiňované Circuit Note CN0277:18-Bit, 5 MSPS, Data Acquisition System Optimized for AC Performance. Mimo jiné nás tam čekají naměřené hodnoty a, to pokud budeme ochotni pětinásobně zvýšit odběr operačních zesilovačů, též možnosti dalšího přizpůsobení, např. s ohledem na výsledný šum a zkreslení. Problémem vzhledem ke vzájemné pinové kompatibilitě s obvody AD7961 nebude ani případné snížení rozlišení na „pouhých“ 16 bitů. A pokud máte rádi on-line vývojové nástroje bez nutnosti registrací, stahování souborů a následných instalací, můžete si zapojení nechat na zkoušku importovat rovnou do beta verze návrhového prostředí Signal Chain Designeru od Analog Devices.

 

 

Z výše uvedeného tedy vyplývá, že se pokaždé nemusí jednat o jediné správné řešení a cest, které dřív či později povedou k cíli, může být i více. A v praxi tak tomu i bývá. Proč ale nevyužít směru, který již před náma někdo prošlapal, neřku – li rovnou proklestil!

 

Další z prověřených firemních návrhů stejného výrobce jsme si mimochodem na HW serveru představili a rozebrali počátkem roku v článku Galvanické oddělení? Což takhle sigma-delta modulátor. Tehdy se jednalo o kompletní zapojení zajišťující oddělení mezi dvěma analogovými stranami, tzv. analog-to-analog isolator, s izolací 2 500 Vrms po dobu jedné minuty dle UL 1577. Návrh vycházel ze sigma-delta (Σ-Δ) modulátoru druhého řádu AD7400A (Isolated Sigma-Delta Modulator) s číslicově odděleným datovým streamem na svém 1bitovém výstupu, přičemž jsme oddělený analogový signál zpětně rekonstruovali pomocí aktivního filtru čtvrtého řádu, využívajícího dvojitého nízkošumového operačního zesilovače.

 

 

 

Aplikační poznámky s doporučeným řešením, vývojové desky ani podpůrné nástroje výrobců integrovaných obvodů nejsou ničím převratným, a novým už vůbec ne, a článek ani mezi řádky nenaznačoval, že by měly být tím jediným, správným. Spíše jsme si na příkladu zajímavého převodníku z nedávné doby ukázali, jak s ním pod vedením jednoho z řady výrobců naložit v nejkratší možné době pokud možno co nejlépe. A v podobném duchu budeme pokračovat i příště, protože podpora, které se nám na každém rohu dostává, může mít spoustu podob a jenom o nich vědět nestačí.