Обзор АЦП и ЦАП компании SGMICRO

Современный мир невозможно представить без цифровых технологий. Ежедневно мы взаимодействуем с устройствами, которые обрабатывают информацию в цифровом формате: компьютеры, смартфоны, бытовая техника, системы навигации, медицинское оборудование и многое другое. Однако окружающая нас среда изначально существует в аналоговой форме. Звук человеческого голоса, температура воздуха, свет от лампы или движение автомобиля — всё это непрерывные физические процессы.

Чтобы обработать такие данные в цифровом виде, необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровые. И наоборот, когда цифровая система генерирует информацию, которая должна быть воспринята человеком или воздействовать на окружающий мир, требуется преобразовать цифровые данные обратно в аналоговую форму. Для этих задач и существуют аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

АЦП и ЦАП являются ключевыми элементами современных систем обработки сигналов. Они выполняют важнейшую функцию, создавая мост между непрерывным аналоговым миром и дискретными цифровыми системами. Эти устройства находят применение практически во всех сферах: от аудиооборудования и видеокамер до сложных систем управления в автомобилях и космических аппаратах.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — это устройство, которое преобразует аналоговый сигнал (непрерывный во времени и по амплитуде) в цифровой (дискретный по времени и амплитуде).

Аналоговые сигналы представляют собой физические величины, изменяющиеся во времени, такие как звук, свет, температура, давление и другие. Например, речь или музыка — это звуковые волны, которые можно зафиксировать с помощью микрофона. Однако для их обработки или хранения в цифровых системах необходимо преобразовать их в цифровую форму.

Процесс преобразования начинается с измерения аналогового сигнала через равные промежутки времени. Частота этих измерений, или частота дискретизации, определяется в соответствии с теоремой Найквиста. Согласно этой теореме, частота выборки должна быть как минимум в два раза выше максимальной частоты входного сигнала. После измерения амплитуды каждого отсчёта происходит квантование — округление значения до ближайшего уровня в пределах заданного диапазона. В результате сигнал аппроксимируется определённым количеством уровней. Затем квантованные значения кодируются в двоичный формат, который может быть обработан цифровой системой.

АЦП (аналого-цифровые преобразователи) имеют несколько ключевых характеристик, которые определяют их производительность и область применения:

1. Разрядность (бит) — определяет точность преобразования и количество уровней квантования. Например, 8-битный АЦП имеет 256 уровней квантования, а 16-битный — 65 536 уровней. Чем выше разрядность, тем точнее преобразование.
2. Частота дискретизации (выб/с или SPS) — определяет, как часто сигнал измеряется.
3. Ширина полосы (Гц) — диапазон частот, который АЦП может обрабатывать.

На сегодняшний день существует несколько типов АЦП, каждый из которых имеет свои особенности и области применения:

1. Сигма-дельта АЦП (ΣΔ)
   Используют принципы модуляции плотности импульсов и цифровой фильтрации. Отличаются высокой точностью, но низкой скоростью преобразования. Применяются в высокоточном измерительном оборудовании.
2. АЦП последовательного приближения (SAR)
   Используют метод последовательных приближений для преобразования сигнала. Обладают средней скоростью (до нескольких миллионов выборок в секунду, MSPS) и приемлемой точностью (12–18 бит). Широко используются в промышленном оборудовании и медицинской технике.
3. Интегрирующие АЦП
   Преобразуют сигнал путём интегрирования. Отличаются высокой точностью, но низкой скоростью. Применяются в измерительных приборах, где важна точность, а не скорость.
4. Параллельно-интегрирующие АЦП (Pipeline)
   Сочетают высокую скорость преобразования (до сотен миллионов выборок в секунду, MSPS) и умеренную разрядность (8–12 бит). Преобразование выполняется поэтапно, что делает их популярными в телекоммуникационном оборудовании.
5. Быстродействующие АЦП
   Одновременно сравнивают входное напряжение со всеми возможными уровнями. Обладают низкой разрядностью (8–10 бит), но чрезвычайно высокой скоростью (до нескольких миллиардов выборок в секунду, GSPS). Применяются в аэрокосмической, военной и телекоммуникационной отраслях.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

ЦАП выполняют обратную задачу — преобразуют цифровой сигнал в аналоговый. Это необходимо, когда цифровые данные нужно воспроизвести в виде аналогового сигнала, например, для аудио- или видеовоспроизведения.

Цифровой код (например, двоичное число) преобразуется в последовательность напряжений или токов, которые соответствуют уровню амплитуды. Для устранения ступенчатости, вызванной дискретизацией, применяется фильтрация. Обычно используются низкочастотные фильтры, чтобы удалить высокочастотные артефакты.

Основные характеристики ЦАП:

1. Разрядность (бит) — определяет точность преобразования, аналогично АЦП.
2. Скорость преобразования (выб/с или SPS) — скорость, с которой ЦАП преобразует цифровые данные в аналоговый сигнал.
3. Линейность (наименьший значимый бит или LSB) — показывает, насколько точно выходной сигнал соответствует входному коду.

Сегодня АЦП и ЦАП производятся многими известными компаниями, такими как Analog Devices, Texas Instruments и STMicroelectronics. Однако в связи с последними внешнеполитическими событиями и дефицитом электронных компонентов их доступность для отечественных производителей значительно снизилась. В этой ситуации достойной альтернативой может стать продукция китайской компании SGMICRO.

Компания SG-Micro Corp (SGMICRO), основанная в 2004 году в Пекине, специализируется на разработке высококачественных аналоговых микросхем и микросхем питания. Продукция SGMICRO широко используется в различных отраслях, включая:

• Сотовые телефоны;
• Телевизоры и DVD-плееры;
• Цифровые камеры и ноутбуки;
• Бытовую и автомобильную электронику;
• Промышленную автоматизацию и медицинские устройства;
• ЖК-дисплеи.

Опыт SGMICRO в проектировании микросхем и постоянные инвестиции в исследования и разработки позволяют компании выпускать продукцию, которая по качеству и производительности не уступает ведущим мировым брендам.

Основной ассортимент АЦП компании SGMICRO состоит из сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения. Но с недавних пор компания стала выпускать и быстродействующие АЦП параллельно-интегрирующего типа, которых пока насчитывается три модели.

Сигма-дельта АЦП SGMICRO в зависимости от модели имеют разрешение от 16 до 24 бит, а их количество каналов варьируется от 2 до 8. При этом частота дискретизации может варьироваться от 2,5 SPS до 60 kSPS. Рассмотрим структуру одной из наиболее функциональных серий – SGM5860x. Блок-схема показана на рисунке ниже.

Микросхемы серии SGM5860x представляют собой малошумящие 24-битные, сигма-дельта АЦП с частотой дискретизации 60 kSPS и напряжением питания от 2,7 В до 5 В. SGM58600 имеет 2 синфазных входа или один дифференциальный, SGM58601 имеет 8 синфазных входов или 4 дифференциальных и SGM58602 имеет 3 синфазных входа или 2 дифференциальных.

Входы мультиплексируются и входные сигналы поступают на внутренний буфер, который повышает входной импеданс, а малошумящий программируемый усилитель (PGA) обеспечивает усиление от 1 до 128 с двоичным шагом. SGM58600, SGM58601 и SGM58602 имеют сигма-дельта-модулятор четвертого порядка и Sinc-фильтр пятого порядка (Sinc⁵), оптимизированные для обеспечения малошумящих характеристик.

В таблице ниже можно видеть ряд сигма-дельта АЦП компании SGMICRO с их основными характеристиками и аналогами.

АЦП последовательного приближения компании SGMICRO в зависимости от модели имеют разрешение от 12 до 16 бит, а их количество каналов варьируется от 1 до 16. При этом частота дискретизации может варьироваться од 250 kSPS до 1 MSPS.

На рисунке ниже можно видеть блок-схему одной из наиболее функциональных серий АЦП последовательного приближения компании SGMICRO – SGM516x2S8.

SGM51622S8 и SGM51652S8 представляют собой 16-битный 8-канальный АЦП последовательного приближения с одновременной выборкой. Этот АЦП питается от одного однополярного источника 5 В и поддерживает работу с истинными биполярными входными напряжениями ±10 В и ±5 В. Эти микросхемы обеспечивают защиту от перенапряжения до ±20 В на входе. Они имеют встроенный высокоточный источник опорного напряжения с малым дрейфом 8 ppm/℃. Входное сопротивление этих микросхем составляет 1 МОм и не зависит от выбора входного диапазона.

SGM51622S8 может выполнять выборку на всех восьми каналах одновременно на скорости 250 кГц, а SGM51652S8 в свою очередь на скорости 500 кГц. SGM51622S8 и SGM51652S8 имеют встроенный фильтр нижних частот второго порядка перед ядром АЦП. Если выбран входной диапазон ±5 В, полоса пропускания -3 дБ составляет 24,009 кГц. Если выбран входной диапазон ±10 В, полоса пропускания -3 дБ составляет 24,034 кГц. Помимо этого, SGM51622S8 и SGM51652S8 имеют встроенный настраиваемый цифровой фильтр нижних частот после ядер АЦП. Частота передискретизации задается линиями OS 2, OS 1 и OS 0, подключенными к этому фильтру. При увеличении частоты передискретизации увеличивается отношение сигнал/шум и, соответственно, уменьшается эквивалентная полоса пропускания -3 дБ.

Как уже было сказано выше, SGMICRO недавно вывел на рынок серию высокоскоростных параллельно-интегрирующих АЦП SGM510x. Она представлена тремя моделями: SGM5100, SGM5101 и SGM5102. Эти 14-разрядные малопотребляющие АЦП предназначены для выборки высокочастотных сигналов и сигналов с широким динамическим диапазоном и отвечают высоким требованиям систем визуализации и связи.

Ассортимент ЦАП компании SGMICRO представлен довольно широко различными моделями с разрядностью от 8 до 16 бит. В этом ассортименте имеются устройства с количеством каналов от 1 до 8 и скоростью преобразования от 77 kSPS до 700 kSPS.

В качестве примера рассмотрим серию микросхем ЦАП SGM71612R8x, блок-схема которых показана ниже.

SGM71612R81/SGM71612R82/SGM71612R83 представляют собой 16-битные, 8-канальные цифро-аналоговые преобразователи с выходом по напряжению. SGM71612R81Z имеет встроенный источник опорного напряжения 1,25 В с дрейфом 10 ppm/℃, что обеспечивает полный диапазон выходного сигнала 2,5 В. SGM71612R82Z/SGM71612R82M/SGM71612R83M имеют встроенный источник опорного напряжения 2,5 В с дрейфом 10 ppm/℃, что обеспечивает полный диапазон выходного сигнала 5 В.

Эти микросхемы имеют схему управления включением питания, которая может гарантировать, что ЦАП будет иметь фиксированный выходной сигнал при включении системы. SGM71612R81Z и SGM71612R82Z выводят 0 В после включения системы, а SGM71612R82M/SGM71612R83M выводят средний уровень после включения системы. Семейство ЦАП SGM71612R8x использует 3-проводной интерфейс, совместимый с SPI, и его рабочая скорость передачи данных составляет до 50 МГц.

Помимо АЦП и ЦАП компания SGMICRO предлагает также так называемые аналоговые интерфейсы (Analog Front-End или AFE). Это специализированные микросхемы, предназначенные для комплексной обработки аналоговых сигналов. Они могут широко применяться в промышленном оборудовании, медицинской технике, измерительной аппаратуре благодаря своим лучшим функциональным возможностям по сравнению с обычными АЦП и ЦАП.

На текущий момент компания SGMICRO предлагает три аналоговых интерфейса (SGM90508, SGM90509 и SGM90810), имеющих свои особенности и преимущества. Рассмотрим каждый из них подробнее, начав с SGM90508, блок-схема которого показана на рисунке ниже.

SGM90508 имеет 8 линий ввода/вывода, которые могут быть независимо сконфигурированы как выходы цифро-аналогового преобразователя по напряжению (VDAC), выходы цифро-аналогового преобразователя по току (IDAC), входы аналого-цифрового преобразователя (ADC), а также цифровые выходы или цифровые входы. Когда входная/выходная линия сконфигурирована как аналоговый выход, она управляется 12-битным VDAC. Диапазон выходного сигнала VDAC может быть сконфигурирован как от 0 В до опорного напряжения (VREF) или от 0 В до 2×VREF. Когда входная/выходная линия сконфигурирована как вход АЦП, она является аналоговым входом АЦП с мультиплексором. Диапазон входного сигнала АЦП может быть сконфигурирован как VREF или 2×VREF. Входные/выходные линии также могут быть сконфигурированы как цифровые универсальные входные или выходные контакты (GPIO).

SGM90508 содержит встроенный источник опорного напряжения 2,5 В с дрейфом 11 ppm/℃, который по умолчанию отключен. При этом микросхема также имеет встроенный датчик температуры, который может считывать температуру кристалла через оцифрованные данные с АЦП. С хост-устройством SGM90508 обменивается информацией по интерфейсу I2C, что позволяет конфигурировать аналоговый интерфейс, а также принимать данные с АЦП и отправлять данные в ЦАП.

SGM90509, блок-схема которого показана на рисунке ниже, во многом схож с SGM90508 за исключением нескольких отличий.

SGM90509, как и SGM90508, имеет 8 линий ввода/вывода. Но в отличие от SGM90508 эти линии могут быть независимо сконфигурированы как выходы цифро-аналогового преобразователя по напряжению (DAC), входы аналого-цифрового преобразователя (ADC), а также цифровые выходы или цифровые входы. Как можно заметить, в данном случае нет цифро-аналоговых преобразователей с выходом по току.

Диапазон выходного сигнала ЦАП может быть настроен на от 0 В до VREF или от 0 В до 2×VREF. Когда линия ввода/вывода настроена как вход АЦП, сигнал на ее входе поступает на 12-битный АЦП через мультиплексор. Диапазон входного сигнала АЦП может быть настроен на VREF или 2×VREF. SGM90509 управляется посредством интерфейса SPI. Микросхема содержит встроенный источник опорного напряжения 2,5 В с дрейфом 10 ppm/℃ и датчик температуры, который позволяет измерять температуру кристалла.

Недавно выпущенный аналоговый интерфейс, на который пока доступна лишь схема подключения, существенно отличается от описанных выше. SGM90810 представляет собой 8-канальную микросхема мониторинга, специально разработанную для контроля состояния сложных систем в промышленном, телекоммуникационном и медицинском оборудовании. SGM90810 имеет 12-битный сигма-дельта АЦП и обменивается данными с хост-контроллером по интерфейсу I2C. Этот интерфейс поддерживает стандартный режим (100 кбит/с) и высокоскоростной режим (400 кбит/с). Аналоговые фильтры на шине I2C обеспечивают превосходную помехоустойчивость. SGM90810 имеет секвенсор для управления преобразованием на каждом канале. Результаты преобразования данных каждого канала сохраняются в независимых регистрах. И каждый канал может быть независимо отключен для экономии энергии. За счет настройки внутренних регистров режим входного сигнала может быть несимметричным или псевдодифференциальным.

SGM90810 оснащен датчиком температуры, встроенными цифровыми компараторами и выводом прерывания, что обеспечивает гибкость для мониторинга каждого канала и генерации сигналов тревоги, когда входной сигнал превышает пороговые значения. SGM90810 также содержит внутренний источник опорного напряжения, что делает это устройство полноценным однокристальным решением для реализации системного мониторинга.

В результате можно сказать, что компания SGMICRO предлагает широкий ассортимент АЦП, ЦАП и аналоговых интерфейсов, которые по качеству не уступают западным аналогам. Эти компоненты доступны для приобретения в компании «Матрикс Электроника» и подходят для решения разнообразных задач в таких областях, как промышленная электроника, коммуникационные устройства, контрольно-измерительная аппаратура, медицинская техника, бытовая электроника и другие системы, где применяются АЦП и ЦАП.

Свяжитесь с нами и получите квалифицированную помощь по продуктам. Наши специалисты всегда готовы помочь.