בחירת הארכיטקטורה הנכונה של ממיר אנלוגי לספרתי הופכת להיות מהותית כאשר מדובר בתכנון יישומים עם אותות מעורבים.
מאמר זה משווה את טופולוגית ממיר הקירובים העוקבים (successive approximation – SAR) עם טופולוגית ממיר דלתה–סיגמה (ΔΣ) ומסייע במציאת הארכיטקטורה הטובה ביותר עבור היישום המסוים שלך.
במאמר זה נערוך השוואה של התכונות העיקריות של שתי ארכיטקטורות אלו ונעמת אותן, על מנת לסייע למפתחים להחליט את ההחלטה הנכונה. נערוך השוואה בין שתי הטופולוגיות במונחים של התנהגות הדגימה שלהם, מסנני anti–aliasing(מסנני מניעת מידרוג) והיכולות הרב ערוציות שלהם.
התנהגות דגימה
כבר עתה ניתן להבחין בהבדל רב בין שתי הארכיטקטורות בהקשר להתנהגות הדגימה שלהן. ממיר SAR ממיר ערך אנלוגי בזמן מדויק tA. במקרה זה, אירוע יגרום להתחלת ההמרה. בניגוד לו, ממיר דלתה–סיגמה מספק את הערך הממוצע במהלך פרק זמן ΔtA, מפני שערכי נתונים שונים משמשים באמצעות דגימת יתר כדי ליצור ערך ביציאה. המשמעות היא שלא ניתן לחשב ערך אנלוגי בנקודת זמן מסוימת. מאחר שגם אין אירוע שיתחיל את ההמרה היחידה, ממיר דלתה סיגמה מתאים יותר לדגימה רציפה של אותות. הכרה של קצב הנתונים fDR היא בעלת חשיבות יסודית לאלגוריתמים רבים בעיבוד אותות ספרתיים. למשל, עבור טרנספורמציית פורייה מהירה [FFT], ניתן לפרש את התוצאה בצורה נכונה בתנאי שיודעים מהו fDR אין לבלבל בין fDR במקרה זה לבין תדירות הדגימה fA. בשעה שהערך fA מציין את התדירות שבה אות אנלוגי עובד דגימה, fDR מציין את התדירות שבה ערכי נתונים ספרתיים יהיו זמינים ביציאה של הממיר.
במקרה של הממיר ΔΣ, fDR יחסי ישר ל– fA. היחס שבין שתי התדירויות האלו מציין את קצב דגימת היתר R. לכן, שינוי ב– fA משנה באופן ישיר את fDR. עם זאת, קיימים ממירי דלתה–סיגמה – כגון ADS1115 – שבהם רק מתנד פנימי עם דיוק של ±10% פועל כמקור של אות שעון. fA (ולכן גם fDR) כבר אינו ידוע במדויק, אבל לא בכל היישומים הוא נדרש.
בניגוד לכך, מילת נתונים ספרתית מופקת עבור כל דגימה שנעשתה עם ממיר SAR. לכן fDR זהה ל– fA. תדירות זו מסופקת דרך פין ייעודי או לחלופין, דרך פין בחירת התקן נשלט [slave]/סנכרון מסגרת בממיר SAR עם ממשק טורי.
מסנן Anti–Aliasing
ידוע שלכל ממיר אנלוגי לספרתי יש צורך באות כניסה מוגבל לפס יחיד על מנת להתאים לתאורמת הדגימה של Nyquist–Shannon. התיאורמה קובעת שאסור שתדירות אות הכניסה הגבוהה ביותר, fSig.max תעלה על המחצית של fA. מסנן מעביר נמוכים אנלוגי שאליו מתייחסים גם כאל מסנן anti–aliasing [AAF] אחראי להגבלת פס התדירות. כדי להשתמש בצורה היעילה ביותר ברוחב הפס, יש צורך בגבול אידיאלי של העברת נמוכים בתדירות fA /2. עם זאת, מצב זה אינו אפשרי במונחים מעשיים. קירוב טוב אפשרי עם הגדלת הסדר של המסנן. יחד עם זאת, אין כל בעיה עם תדירויות של אותות שמופיעות במשרעת [אמפליטודה] נמוכה מהרזולוציה של הממיר מאנלוגי לספרתי.
איור 1–א’ מראה את ספקטרום התדירויות של אות ספרתי עבור ממיר SAR. באיור זה ניתן לראות בבירור את מגבלת פס הרוחב של אות כניסה אנלוגי בתדירות fA /2 אשר נובעת מתיאורמת הדגימה.
עבור ממיר דלתה–סיגמה גבוה fA (בהרבה) מאשר fDR כתוצאה מדגימת היתר. המשמעות היא ש– fA מועבר לטווח תדירויות גבוה יותר (איור 1–ב’). בדוגמה R=8. עם זאת, ערכים אופייניים של R יהיו 108 בערך, או יותר. מאחר שרוחב הפס בכניסה האנלוגית נשאר זהה, קיים מרחב תדירות גדול בהרבה שנותר עבור מסנן anti–aliasing במטרה להשיג את ההנחתה הדרושה. בדרך כלל די יהיה במסנן מעביר נמוכים מסדר ראשון או שני. תמיד יש להתייחס למסנן anti–aliasing האנלוגי במקרה של ממיר דלתה–סיגמה בהקשר למסנן הספרתי המשולב, אשר אחראי למעשה למגבלת פס התדירות.
יתרון נוסף של ממירי דלתה–סיגמה הוא שהמסנן הפנימי מושפע באופן ישיר מהתדירות fDR. מצב זה פותח כמה אפשרויות, למשל, fDR מתכוונן ביחס לאות הכניסה בזמן אמת (על ידי שינוי fA ו/או R) כדי להקטין את נפח הנתונים. ממיר SAR לא מציע את האפשרות הזו. הקטנת fA היתה מקטינה את תיאורמת הדגימה של Nyquist–Shannon בנקודה זו, מאחר שבדרך כלל, אין אפשרות לשנות את מסנן anti–aliasing.
תמיכה בריבוי ערוצים אנלוגיים
ממירים עם מרבב [Multiplexer] משולב משמשים ביישומים שבהם יש צורך בהמרה של אותות מרובים (איור 2–א’). המרבב ממתג את הערוצים האנלוגיים השונים ברצף מוגדר, דרך דרגת דגימה והחזקה [S/H] (בממיר SAR) או ישירות (בממיר דלתה–סיגמה) אל דרגת הכניסה של הממיר (לדוגמה, דלתה–סיגמה: ADS1258; SAR: ADS7953). תדירות fDR המקורית של הממיר צריכה לשמש בשיתוף בין הערוצים. אין אפשרות להימנע מקפיצות במתח בעת מעבר לערוץ אחר. לכן, יש לאפשר לזמן מסוים לחלוף, שבמהלכו האות החדש יופיע באופן מדויק בכניסה (fDR צריך להיות מוקטן כתוצאה מכך). לאחר שחלף זמן התייצבות זה עבור ממיר SAR, אפשר להתחיל בהמרה חדשה שתפיק מייד תוצאה תקפה. ההשהיה שקובעת את מספר מחזורי ההמרה שנוצרים עד שאות הכניסה מופיע ביציאת הממיר, תהיה על כן אפס.
במקרה של ממיר דלתה–סיגמה, חישוב ההשהיה יהיה מורכב יותר במעט, מאחר שהוא משתנה בהתאם לסוג המסנן הספרתי הפנימי. אם נדרש להמיר את כל רוחב הפס עד fA /2 בערך, יש להשתמש במסנן תגובת דופק סופי [FIR]. כתוצאה מדרישות תגובת התדר ומהאורך הנובע מהן, אין זה נדיר למצוא השהיות של 50 מחזורי המרה ויותר.
חלופה מתאימה לכך היא מסנן הקרוי מסנן sinc. קל מאוד לממש את המסנן הזה ואפשר לחבר אותו בקסקדה בכל מספר של פעמים. מספר הקסקדות מציין את סדר המסנן. איור 3 מציג את תגובת התדר עבור סדר ראשון [sinc], סדר שלישי [sinc3] וסדר חמישי [sinc5]. ההשהיה תואמת במקרה זה לסדר של מסנן sinc. אפשר לראות מתגובת התדר שלמסנן מסוג זה אין הנחתה רק כאשר משתמשים באות של מתח ישר (f= 0 Hz). כתוצאה מכך, מאחר מסנני sinc מתאימים ביותר עבור אותות כניסה שמשתנים באופן איטי בלבד. מאחר שרק הערך המוחלט מעניין אותנו במקרה זה, לא יהיה זה חיוני לדעת את קצב הנתונים המדויק והדרך פתוחה בפני מקורות משולבים של אות שעון, כגון ADS1115 שצוין לעיל. יישומי המטרה כוללים מדידת טמפרטורה וניטור סוללות. אחת התוצאות בהקשר זה היא שהרעש מוגדר בדרך כלל כמספר מוחלט עבור ממירי דלתה–סיגמה מבוססי מסנן sinc, אך הוא מוגדר באופן יחסי לאות (SNR) עבור ממירים שלהם יש מסנן FIR. כתוצאה מההשהיה הקטנה שיש לקחת בחשבון בכל פעם שמחליפים ערוץ, ממירי דלתה–סיגמה עם מרבב משולב, אשר משתמשים במסנני sinc, מתפשרים על רוחב פס מוגבל באות. עם זאת זה אינו מתאים להשהיה של ממירי SAR.
חיסרון נוסף של מרבב לפי איור 2–א’ יכול להיות נעוץ בהיעדר האפשרות לבצע דגימה של אותות אנלוגיים שונים בו בזמן. המרה זו שנקראת “בו-זמנית”, חשובה למשל, ביישומים של בקרת מנוע. אפשר לעקוף חיסרון זה, אם דרגת הדגימה וההחזקה ממומשת בנפרד עבור כל ערוץ כניסה שבממיר SAR והאותות לא מרובבים עד אחרי דרגה זו (איור 2–ב’). עם הופעת הפקודה, מוקפאים ערכי האותות האנלוגיים של כל אותות כניסה אלו מדרגות הדגימה וההחזקה, ולאחר מכן מומרים בזה אחר זה. המרה בו זמנית של ערוצים אנלוגיים מרובים בעזרת ממיר אחד ויחיד יכולה לפעול, אבל רק עם ממירי SAR, מפני שלממירי דלתה–סיגמה אין דרגת דגימה והחזקה.
הפתרון הפשוט ביותר, על אף שאינו הזול ביותר, הוא להשתמש בממיר עבור כל אות אנלוגי. במצב זה המרבב אינו נדרש עוד (איור 2–ג’). פתרון זה אידיאלי אם צריך להמיר מספר אותות של פס רחב. חברת Texas Instruments מציעה שבבים שמשלבים כמה ממירים במארז יחיד (דלתה–סיגמה: ADS1278, SAR: ADS8556). מהירות הדגימה המלאה מתקבלת אף היא עבור כל ערוץ אנלוגי. המרה בו זמנית אפשרית גם היא כמובן.
סיכום-
מאמר זה הדגים את קיומם של כמה הבדלים משמעותיים בין שתי הארכיטקטורות. למשל, בעוד ממיר SARמציע יתרונות בכך שהוא מאפשר המרה בנקודת זמן מדויקת, ממיר דלתה–סיגמה מפגין את יכולותיו בדרישות הנמוכות של מסנן anti–aliasing. הבדל חשוב נוסף קיים ביחס אות לרעש. הפרעות קצרות באות מבוטלות כתוצאה מהאינטגרציה שנעשית במהלך המרת דלתה–סיגמה. כתוצאה מכך, אפשר לממש את ממירי דלתה–סיגמה עם יחס אות לרעש של 120 dB, אך ממירי SAR מגיעים כיום לגבול שלהם ביחס אות לרעש של 100 dB.
הבדלים אלו בדיוק הם שיכולים להאיץ את תהליך קבלת ההחלטות, כדי שאנשי הפיתוח יוכלו לחייב את עצמם במהירות לסוג מסוים של ממיר. מרגע שנבחרה הארכיטקטורה, המדריך ADC Selection wheel יכול להיות שימושי בבחירת ממיר הנתונים המתאים.
