Průmysloví analytici zcela jasně rozpoznali systémové trendy v podobě přenosnosti, omezení v duchu „zelené“ energie a také většího počtu čidel, osazených v koncových zařízeních. Takové směry pak stojí za potřebou většího počtu kanálů, vyšších rychlostí a také lepších technických parametrů analogově – digitálních převodníků (ADC) či jejich digitálně – analogových protějšků (DAC), přičemž stále vyžadujeme nižší výkonový rozpočet, menší rozměry a také nižší cenu.

Výrobci datových převodníků pak na takové požadavky odpovídají výrobou většího počtu převodníků, které jsou integrovány spolu s dalšími obvodovými prvky. Přestože zde máme celou řadu mikrokontrolérů a jejich jader, obklopených bohatou „nadílkou“ periférií, stále si některé technické požadavky vynucují návrhy specifických analogových front – endů či jiných analogových „doprovodných“ čipů, pracujících společně se samostatným procesorem.

V Texas Instruments například nedávno představili obvod

• ADS1298,

ucelený front – end pro EKG systémy (elektrokardiogramy). Jedná se o osm 24bitových A/D převodníků se zesilovači s nastavitelným ziskem a také souborem pomocných struktur, to vše v jediném pouzdru typu BGA, resp. TQFP (obvod jsme na stránkách hw.cz před časem představili článkem AFE pro EKG a EEG). Jelikož se datové převodníky stávají součástí systému, zapracovaného do jediného pouzdra, budou mít rovněž snahu vystupovat jako více aplikačně – specifické; datasheet pro ADS1298 ostatně zmiňuje celou řadu charakteristických funkcí včetně terminologie, která toho výrobcům, kteří běžně nepřichází do styku s vybavením pro EKG, nemusí moc říkat. Znamená to však, že obvod ADS1298 proto smíme použít jen pro EKG aplikace?

Nezbývá tedy, než si takové integrované struktury důkladně prohlédnout a také zvažovat, jaké výhody mohou našemu konkrétnímu systému nabídnout. Je to pouze otázka specifikace včetně zkoumání toho, jak se jim podařilo zapracovat prvky signálového řetězce, znázorněného na obr. 1.

Obr. 1: Blokový diagram signálového řetězce

Blokový diagram na obr. 1 může v podstatě reprezentovat jakýkoli systém, ve kterém dochází ke zpracování signálu. Jedná – li se o měření či systém sběru dat, stojí na počátku řetězce čidlo, ze kterého postupujeme přes obvody pro zpracování signálu do A/D převodníku, přičemž skončíme až v procesoru. Bude – li se však jednat o řídicí systém, systém na zpracování audia nebo dokonce SDR (software-defined radio), nalezneme zde pravděpodobně určitý výstup z procesoru, který musíme zapracovat zpět do analogové oblasti, jak to ostatně vidíme v pravé části blokového diagramu.

Bez ohledu na typ systému, který potřebujeme navrhnout, zde existuje rozumný postup, při kterém budeme volit součástky, realizující konkrétní signálový řetězec. První volba obvykle zahrnuje

• procesor.

Takový výběr pak zpravidla odráží přítomnost určitého povědomí o daném prvku („tento procesor byl na firmě použit již v předchozích návrzích“) nebo se necháme ovlivnit konkrétním souborem periférií a také možností, které nabízí. Začínáme tedy uprostřed blokového diagramu na obr. 1, přičemž nyní budeme směřovat ven.

Tímto způsobem naznačujeme, že jako další v pořadí přichází

• datový převodník;

s ohledem na analogové struktury se ostatně jedná o logický výchozí bod. Předpokládejme, že navrhujeme měřicí systém, takže přicházíme do styku pouze s ADC. Mezi významné body zde řadíme otázky, směřující k velikosti rozlišení, nezbytného pro dané měření, a také související rychlosti. Musíme zde pochopitelně zohlednit i celou řadu dalších věcí, ale dvěma zásadními stále zůstávají zmíněná rychlost včetně rozlišení. Povšimněte si prosím, že jsem dosud neřekl nic o tom, kolika bitový je náš datový převodník – pouze jak dalece, viděno z pozice fyzických parametrů, by se naše analýza měla ubírat. Na tomto místě tedy bude vhodnější říci, že měřicí systém potřebuje rozlišit přinejmenším 250 ppm, spíše než rovnou rozhodnout o 12bitovém převodníku.

Jestliže jsme doopravdy postupovali směrem ven, měly by být nyní na řadě

• obvody pro zpracování signálu

– jen zde nesmíme zapomenout, že jejich účel spočívá v přijetí jakéhokoli signálu, který nám může čidlo nabídnout, a jeho přizpůsobení s ohledem na vstupní rozsah datového převodníku. Musíme tedy nejprve porozumět tomu, jaký druh signálu ze senzoru dostáváme. Řekněme proto, že maximální výstupní napětí čidla zde činí 2 V. Pak tedy součin 2 x 250 ppm = 0,5 mV představuje to, o čem předpokládáme, že budeme ještě schopni na snímači zachytit.

Nyní provedeme rozvahu, kterak takovou 0,5 mV změnu změřit. Jedním ze způsobů je nasazení zesilovače, kterým přizpůsobíme signál s ohledem na plný rozsah našeho převodníku – řekněme 5 V. Díky zesílení 2,5 se pak ze zmíněných 0,5 mV na čidlu rázem stává 1,25 mV, což znamená, že převodník potřebuje řešit 1,25 mV z plných 5 V, resp. 1 krok ze 4 000. To by také mohlo odpovídat 12bitovému převodu. Další varianta může spočívat v použití převodníku s větším rozlišením, který by pak 0,5 mV změřil přímo a vůbec přitom nevyžadoval odpovídající, předřadné signálové struktury. Řešení, které nakonec zvolíme, bude záviset na tom, kolik energie, fyzických rozměrů a také finančních prostředků dokážeme ušetřit tím, že vyřadíme zesilovač a zapracujeme místo něj převodník s větším rozlišením. Musíme však také počítat s variantou, že nám impedance použitého snímače neumožní přímé spojení s převodníkem, takže vypuštění zesilovače pak nepřipadá v úvahu.

Porozumění signálovému řetězci daného systému a také tomu, co se žádá od každého funkčního bloku, nám tudíž může usnadnit rozhodování o tom, zda některý z takových převodníků s vysokou mírou integrace našemu návrhu skutečně prospěje. Zcela jistě tedy můžeme použít výše zmíněný obvod ADS1298 a to i v systémech, odlišných od EKG. Žádané výhody to však zpravidla přinese pouze tehdy, upotřebíme – li v našem signálovém řetězci skutečně všechny bloky, které máme uvnitř této součástky k dispozici.

V následujících článcích společně prozkoumáme základy hodnověrného sběru údajů včetně jejich reprezentace v číslicové oblasti. Celá řada hrubých odhadů, tzv. „od oka“, či jiných doporučení, která zpravidla považujeme za samozřejmá, totiž vyžadují další kontext, který nám ozřejmí smysl daného pokynu a pomůže rozpoznat, jak je lze aplikovat v duchu souvislostí, ukrytých v konkrétních systémových požadavcích.