Pertimbangan Praktis Sirkuit ADC

Mungkin pertimbangan terpenting dari ADC adalah resolusi . Resolusi adalah jumlah bit biner yang dikeluarkan oleh konverter. Karena sirkuit ADC mengambil sinyal analog, yang terus menerus berubah-ubah, dan menyelesaikannya menjadi salah satu dari banyak langkah diskrit, penting untuk mengetahui berapa banyak langkah ini secara total.

Misalnya, ADC dengan output 10-bit dapat mewakili hingga 1024 (2 ¹⁰ ) kondisi unik pengukuran sinyal. Selama rentang pengukuran dari 0% hingga 100%, akan ada persisnya 1024 keluaran bilangan biner unik oleh konverter (dari 0000000000 hingga 11111111111, inklusif).

ADC 11-bit akan memiliki dua kali lebih banyak status pada outputnya (2048, atau 2 ¹¹ ), mewakili dua kali lebih banyak kondisi unik pengukuran sinyal antara 0% dan 100%.

Resolusi sangat penting dalam sistem akuisisi data (sirkuit yang dirancang untuk menafsirkan dan merekam pengukuran fisik dalam bentuk elektronik). Misalkan kita mengukur ketinggian air dalam tangki penyimpanan setinggi 40 kaki menggunakan instrumen dengan ADC 10-bit.

0 kaki air di tangki sesuai dengan 0% pengukuran, sedangkan 40 kaki air di tangki sesuai dengan 100% pengukuran. Karena ADC ditetapkan pada 10 bit keluaran data biner, ADC akan menafsirkan level tangki apa pun sebagai satu dari 1024 kemungkinan status.

Untuk menentukan berapa banyak tingkat air fisik yang akan diwakili dalam setiap langkah dari ADC, kita perlu membagi rentang pengukuran 40 kaki dengan jumlah langkah dalam rentang kemungkinan 0 hingga 1024, yaitu 1023 (satu kurang dari 1024). Dengan melakukan ini, kami memperoleh angka 0,039101 kaki per langkah.

Ini setara dengan 0,46921 inci per langkah, sedikit kurang dari setengah inci ketinggian air yang diwakili untuk setiap hitungan biner ADC.

Nilai langkah 0,039101 kaki (0,46921 inci) ini menunjukkan jumlah terkecil dari perubahan level tangki yang dapat dideteksi oleh instrumen. Memang, ini adalah jumlah yang kecil, kurang dari 0,1% dari keseluruhan rentang pengukuran 40 kaki.

Namun, untuk beberapa aplikasi mungkin tidak cukup baik. Misalkan kita membutuhkan instrumen ini untuk dapat menunjukkan perubahan level tangki hingga sepersepuluh inci. Untuk mencapai tingkat resolusi ini dan tetap mempertahankan rentang pengukuran 40 kaki, kita memerlukan instrumen dengan lebih dari sepuluh bit ADC.

Untuk menentukan berapa banyak bit ADC yang diperlukan, pertama-tama kita harus menentukan berapa banyak langkah 1/10 inci yang ada dalam 40 kaki. Jawabannya adalah 40/(0.1/12), atau 4800 langkah 1/10 inci dalam 40 kaki. Jadi, kita membutuhkan bit yang cukup untuk menyediakan setidaknya 4800 langkah diskrit dalam urutan penghitungan biner.

10 bit memberi kami 1023 langkah, dan kami mengetahuinya dengan menghitung 2 pangkat 10 (2 ¹⁰ =1024) lalu dikurangi satu.

Mengikuti prosedur matematika yang sama, 2 ¹¹ -1 =2047, 2 ¹² -1 =4095, dan 2 ¹³ -1 =8191. 12 bit kurang dari jumlah yang dibutuhkan untuk 4800 langkah, sedangkan 13 bit lebih dari cukup. Oleh karena itu, kita membutuhkan instrumen dengan resolusi minimal 13 bit.

Pertimbangan penting lainnya dari sirkuit ADC adalah frekuensi sampelnya , atau rasio konversi .

Ini hanyalah kecepatan di mana konverter mengeluarkan angka biner baru. Seperti resolusi, pertimbangan ini terkait dengan aplikasi spesifik ADC. Jika konverter digunakan untuk mengukur sinyal yang berubah lambat seperti ketinggian di tangki penyimpanan air, mungkin frekuensi sampelnya sangat lambat dan kinerjanya masih memadai.

Sebaliknya, jika digunakan untuk mendigitalkan siklus sinyal frekuensi audio beberapa ribu kali per detik, konverter harus jauh lebih cepat. Pertimbangkan ilustrasi berikut tentang tingkat konversi ADC versus jenis sinyal, tipikal dari ADC aproksimasi berurutan dengan interval sampel reguler:

Di sini, untuk sinyal yang berubah lambat ini, laju sampel lebih dari cukup untuk menangkap tren umumnya. Tapi pertimbangkan ini contoh dengan waktu contoh yang sama:

Jika periode sampel terlalu lama (terlalu lambat), detail penting dari sinyal analog akan terlewatkan. Perhatikan bagaimana, terutama di bagian terakhir dari sinyal analog, keluaran digital sama sekali gagal mereproduksi bentuk aslinya.

Bahkan di bagian pertama dari bentuk gelombang analog, reproduksi digital secara substansial menyimpang dari bentuk gelombang yang sebenarnya. Sangat penting bahwa waktu sampel ADC cukup cepat untuk menangkap perubahan penting dalam bentuk gelombang analog.

Dalam terminologi akuisisi data, bentuk gelombang frekuensi tertinggi yang secara teoritis dapat ditangkap oleh ADC adalah apa yang disebut frekuensi Nyquist , sama dengan setengah dari frekuensi sampel ADC. Oleh karena itu, jika rangkaian ADC memiliki frekuensi sampel 5000 Hz, bentuk gelombang frekuensi tertinggi yang berhasil diselesaikan adalah frekuensi Nyquist 2500 Hz.

Jika ADC dikenai sinyal input analog yang frekuensinya melebihi frekuensi Nyquist untuk ADC tersebut, konverter akan mengeluarkan sinyal digital dengan frekuensi rendah palsu. Fenomena ini dikenal sebagai aliasing . Perhatikan ilustrasi berikut untuk melihat bagaimana aliasing terjadi:

Perhatikan bagaimana periode bentuk gelombang keluaran jauh lebih lama (lebih lambat) daripada periode bentuk gelombang masukan, dan bagaimana kedua bentuk gelombang tersebut bahkan tidak serupa:

Harus dipahami bahwa frekuensi Nyquist adalah mutlak batas frekuensi maksimum untuk ADC, dan tidak mewakili praktis tertinggi frekuensi terukur. Agar aman, orang tidak boleh mengharapkan ADC berhasil menyelesaikan frekuensi apa pun yang lebih besar dari seperlima hingga sepersepuluh frekuensi sampelnya.

Cara praktis untuk mencegah aliasing adalah dengan menempatkan filter low-pass sebelum input ADC, untuk memblokir frekuensi sinyal yang lebih besar dari batas praktis. Dengan cara ini, sirkuit ADC akan dicegah untuk melihat frekuensi yang berlebihan dan dengan demikian tidak akan mencoba mendigitalkannya.

Secara umum dianggap lebih baik jika frekuensi seperti itu tidak diubah daripada membuatnya "alias" dan muncul di output sebagai sinyal palsu.

Namun ukuran lain dari kinerja ADC adalah sesuatu yang disebut pemulihan langkah . Ini adalah ukuran seberapa cepat ADC mengubah outputnya agar sesuai dengan perubahan besar yang tiba-tiba pada input analog. Dalam beberapa teknologi konverter khususnya, pemulihan langkah adalah batasan serius.

Salah satu contohnya adalah konverter pelacakan, yang biasanya memiliki periode pembaruan yang cepat tetapi pemulihan langkah yang sangat lambat. ADC yang ideal memiliki banyak bit untuk resolusi yang sangat halus, sampel dengan kecepatan secepat kilat, dan pulih dari langkah secara instan. Sayangnya, itu juga tidak ada di dunia nyata.

Tentu saja, salah satu dari sifat ini dapat ditingkatkan melalui kompleksitas sirkuit tambahan, baik dalam hal peningkatan jumlah komponen dan/atau desain sirkuit khusus yang dibuat untuk berjalan pada kecepatan clock yang lebih tinggi.

Namun, teknologi ADC yang berbeda memiliki kekuatan yang berbeda. Berikut adalah ringkasan dari mereka yang diberi peringkat dari yang terbaik hingga yang terburuk:

• Rasio resolusi/kompleksitas: Integrasi lereng tunggal, integrasi lereng ganda, penghitung, pelacakan, perkiraan berurutan, flash.
• Kecepatan: Flash, pelacakan, aproksimasi berurutan, pengintegrasian &penghitung kemiringan tunggal, pengintegrasian kemiringan ganda.
• Langkah pemulihan: Flash, aproksimasi berurutan, integrasi &penghitung lereng tunggal, integrasi lereng ganda, pelacakan. Harap diingat bahwa peringkat teknologi ADC yang berbeda ini bergantung pada faktor lain.

Misalnya, bagaimana tingkat ADC pada pemulihan langkah tergantung pada sifat dari perubahan langkah. ADC pelacakan sama lambatnya untuk merespons semua perubahan langkah, sedangkan ADC kemiringan tunggal atau counter akan mencatat perubahan langkah tinggi ke rendah lebih cepat daripada perubahan langkah rendah ke tinggi.

ADC aproksimasi berurutan hampir sama cepatnya dalam menyelesaikan sinyal analog apa pun, tetapi ADC pelacakan akan secara konsisten mengalahkan ADC aproksimasi berurutan jika sinyal berubah lebih lambat dari satu langkah resolusi per pulsa clock.

Saya memberi peringkat konverter pengintegrasian sebagai memiliki rasio resolusi/kompleksitas yang lebih besar daripada konverter penghitung, tetapi ini mengasumsikan bahwa sirkuit integrator analog presisi kurang rumit untuk dirancang dan dibuat daripada DAC presisi yang diperlukan dalam konverter berbasis penghitung. Orang lain mungkin tidak setuju dengan asumsi ini.