Odpověď: Ano, 89 dB + 18 dB + 20 dB ≥ 125 dB.
Úvod
Pro aplikace vyžadující velký dynamický rozsah se často používá převodník Σ-Δ. Takové aplikace se vyskytují hlavně v úlohách chemického rozboru, zdravotní péče a snižování tělesné hmotnosti. Mnohé z těchto modulů však nejsou schopné rychlého převodu. Obvod na obr. 1 popisuje způsob dosažení kombinace velkého dynamického rozsahu a vysoké rychlosti převodu.
Obvod na obr. 1 ukazuje 16bitový převodník 2,5 MSPS a vzestupný programovatelný přístrojový zesilovač, který nastavuje zesílení na hodnotu 1 nebo 100. Převzorkováním a zpracováním digitálního signálu v FPGA dosahuje tento obvod dynamického rozsahu více než 125 dB a přesto je velmi „tichý“. Velkého dynamického rozsahu je dosaženo prostřednictvím automatického přepínání AD8253 a převzorkování, při němž je signál vzorkován mnohem vyšším kmitočtem, než je kmitočet Nyquistův. Podle odhadu zdvojnásobení vzorkovacího kmitočtu zlepší poměr signál / šum asi o 3 dB při původní šířce pásma. V obvodu na obr. 1 je stále použita digitální filtrace v FPGA k odstranění šumu nad kmitočtovým pásmem užitečného signálu. Princip je vidět na obr. 2.
Obr. 1) Převodník s postupnou aproximací s automatickým nastavením zesílení
K dosažení maximálního dynamického rozsahu se na vstupu používá přístrojový zesilovač ke stonásobnému zesílení velmi slabých signálů. Následuje několik úvah k šumovým poměrům:
Pro uspokojení požadavku dynamického rozsahu >126 dB vychází maximální úroveň šumu 1 µVef při vstupním signálu 3 V (6 Všš). AD7985 je 16bitový převodník s postupnou aproximací 2,5 MSPS. Pokud je převodník provozován při 600 kSPS (k dosažení nízké výkonové ztráty 11 mW) s činitelem převzorkování 72, vychází rychlost vzorkování 8 kSPS, a tedy šířka pásma 4 kHz. Z těchto podmínek vychází šumová hustota maximálně 15,8 nV/√Hz. Tato hodnota je důležitá z hlediska výběru správného přístrojového zesilovače. Odstup signál - šum AD převodníku je typicky 89 dB, přičemž převzorkování s činitelem 72 přináší dalších 18 dB, a tedy je třeba ještě dalších 20 dB k dosažení cílové hodnoty 126 dB. To je úlohou přístrojového zesilovače. AD8253 má šumovou hustotu 11 nV/√Hz při zesílení 100. Následující AD8021, který je využit jako budič AD převodníku a pro nastavení úrovně, přidává dalších 2,1 nV/√Hz šumu.
Obr. 2) Vyšší míra převzorkování odstraňuje část šumu.
Aby byl analogový signálový řetězec úplný, je doplněn napěťovou referencí REF194 a obvodem jako ADA4004-2 využitým jako oddělovač reference a budič pro vytváření posuvných napěťových úrovní. Kromě součástek v analogové signálové cestě je pro činnost obvodu důležité také FPGA (nebo procesor). Klíčovou úlohou je přepínání zesílení přístrojového zesilovače od 1 do 100. K tomu účelu se naprogramuje několik prahových hodnot, aby bylo zajištěno, že nedojde k saturaci AD převodníku. Takto pracuje AD8253 se zesílením 100 při vstupních napětích přibližně až 20 mV, což znamená maximálně 2,0 V na vstupu AD převodníku. FPGA potom sníží zesílení AD8253 bez zpoždění na hodnotu 1, aby nedošlo k přebuzení (viz obr. 3).
Obr. 3) Příklad přepínače zesílení.
Obdobná zapojení lze vytvořit s dalšími AD převodníky, jako jsou AD7980 (16 bitů, 1 MSPS), AD7982 (18 bitů, 1 MSPS), nebo AD7986 (18 bitů, 2 MSPS). Podobně, namísto AD8253 s hodnotami zesílení 1, 10, 100 a 1000, je možné použít přístrojový zesilovač, jako je AD8251, s užším rozsahem (zesílení 1, 2, 4, a 8). Možné obměny přicházejí v úvahu také při volbě zdroje referenčního napětí.
Úplný vývojový systém je k dispozici na www.analog.com/CN0260.
