Ацп

Раскладываем по полочкам параметры АЦП

17.11.2020 08:20:28 |

Автор: admin

Привет, Хабр! Многие разработчики систем довольно часто сталкиваются с обработкой аналоговых сигналов. Не все манипуляции с сигналами можно осуществить в аналоговой форме, поэтому требуется переводить аналог в цифровой мир для дальнейшей постобработки. Возникает вопрос: на какие параметры стоит обратить внимание при выборе микроконтроллера или дискретного АЦП? Что все эти параметры означают? В этой статье постараемся детально рассмотреть основные характеристики АЦП и разобраться на что стоит обратить внимание при выборе преобразователя.

Введение

Начать бы хотелось с интересного философского вопроса: если аналоговый сигнал это бесконечность, теряем ли мы при оцифровке сигнала бесконечное количество информации? Если это так, тогда какой смысл существования такого неэффективного преобразования?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, разберемся с тем, что такое аналого-цифровое преобразование сигнала. Основной график, который отражает работу АЦП передаточная характеристика преобразования. В идеальном мире это была бы прямая линия, то есть у каждого аналогового уровня сигнала имелся бы единственный цифровой эквивалент.

Рис. 1: Идеальная характеристика АЦП

Однако из-за наличия различных видов шума, мы не можем увеличивать разрядность АЦП до бесконечности. То есть существует предел, который ограничивает минимальную цену деления шкалы. Другими словами, уменьшая деление шкалы мы рано или поздно упремся в шум. Да, конечно, можно сделать хоть 100-битный АЦП, однако большинство бит данного АЦП не будут нести полезную информацию. Именно поэтому характеристика АЦП имеет ступенчатую форму, что равносильно наличию конечной разрядности АЦП.
Проектируя систему необходимо выбирать АЦП, который бы обеспечил отсутствие потери информации при оцифровке. Для того, чтобы выбрать преобразователь, необходимо понять, какие параметры его характеризуют.
Параметры АЦП можно разделить на 2 группы:

Статические характеризуют АЦП при постоянном или очень медленно изменяющемся входном сигнале. К данным параметрам можно отнести: максимальное и минимальное допустимое значение входного сигнала, разрядность, интегральную и дифференциальную нелинейности, температурную нестабильность параметров преобразования и др.
Динамические определяют максимальную скорость преобразования, предельную частоту входного сигнала, шумы и нелинейности.

Статические параметры

Максимальный (Vref) и минимальный (обычно 0) уровни входного сигнала устанавливают диапазон шкалы преобразования, относительно которой будет оцениваться входной сигнал (рис. 1). Также этот параметр может обозначаться как FS full scale. Для дифференциального АЦП шкала определяется от -Vref до +Vref, однако для упрощения далее будем рассматривать только single-ended шкалы.
Разрядность (N) разрядность выходного кода, характеризующая количество дискретных значений ( $2^{N}$ ), которые преобразователь может выдать на выходе (рис. 1).
Ток потребления (Idd) сильно зависит от частоты преобразования, поэтому информацию об этом параметре лучше искать на соответствующем графике.
МЗР (LSB) младший значащий разряд (Least Significant Bit) минимальное входное напряжение, разрешаемое АЦП (по сути единичный шаг в шкале преобразования). Определяется формулой: $LSB = V_{ref}/2^{N}$ (рис. 1).
Ошибка смещения (offset error) определяется как отклонение фактической передаточной характеристики АЦП от передаточной характеристики идеального АЦП в начальной точке шкалы. Измеряется в долях LSB. При ошибке смещения переход выходного кода от 0 в 1 происходит при входном напряжении отличном от 0.5LSB (рис. 2).
Рис. 2: Ошибка смещения
Существует и другой вариант квантователя, когда переход осуществляется при целых значения LSB (характеристика у него будет смещена относительно первого варианта, который представлен на рисунке 2). Оба этих квантователя равноправны, и для простоты далее будем рассматривать только первый вариант.
Ошибка усиления (gain error) определяется как отклонение средней точки последнего шага преобразования (которому соответствует входное напряжение Vref) реального АЦП от средней точки последнего шага преобразования идеального АЦП после компенсации ошибки смещения (рис. 3).
Рис. 3: Ошибка усиления
Дифференциальная нелинейность (DNL Differential nonlinearity) отклонение ширины ступеньки на передаточной характеристике реального АЦП от номинальной ширины ступеньки у идеального преобразователя. Из-за дифференциальной нелинейности шаги квантования имеют различную ширину (рис. 4).

Рис. 4: Дифференциальная нелинейность

Для 3-х битного АЦП с рисунка 4: $DNL= \pm 0.5LSB$
Интегральная нелинейность ( INL Integral nonlinearity) разница по вертикали между реальной и идеальной характеристикой преобразования (рис. 5). INL можно интерпретировать как сумму DNL. Отрицательная INL указывает на то, что реальная характеристика находится ниже идеальной в данной точке шкалы. Для положительной INL реальная характеристика находится выше идеальной. Распределение DNL определяет интегральную нелинейность АЦП.

Рис. 5: Интегральная нелинейность
Общая нескорректированная ошибка ( TUE Total Unadjusted Error) абсолютная ошибка, включающая в себя следующие ошибки: квантования, смещения, усиления и нелинейности. Другими словами, это максимальное отклонение между реальной и идеальной характеристикой преобразования. Для идеального АЦП TUE = 0.5LSB, обусловлена ошибкой квантования (или шум квантования возникает из-за округления значения аналогового сигнала, которое соответствует цифровому коду). Ошибка усиления и смещения обычно вносят наиболее весомый вклад в абсолютную ошибку. Однако с точки зрения динамических параметров (см. ниже) ошибки смещения и усиления ничтожны, так как они не порождают нелинейных искажений.

Динамические параметры

Частота дискретизации (fs sampling frequency) частота, при которой происходит преобразование в АЦП (ну или 1/Ts, где Ts период выборки). Измеряется числом выборок в секунду. Обычно под данным обозначением подразумевают максимальную частоту дискретизации, при которой специфицированы параметры преобразователя (рис. 6).

Рис. 6: Процесс преобразования АЦП
Отношение сигнал/шум (SNR Signal-to-Noise Ratio) определяется как отношение мощности обрабатываемого сигнала к мощности шума, добавляемого в процессе преобразования. SNR обычно выражается в децибелах (дБ) и рассчитывается по следующей формуле:

$SNR = 10\cdot lg(\frac{P_{signal}}{P_{noise}})$
Наглядно данное выражение продемонстрированно на рисунке 7.

Рис. 7: Отношение сигнал/шум

Для оценки SNR АЦП при разработке системы можно воспользоваться следующей формулой:

$SNR = 6.02 N + 1.76 + 10\cdot lg(\frac{f_s}{2\cdot BW}) + Noise$
Первые 2 слагаемых учитывают уровень сигнала и ошибку квантования (нужно понимать что формула верна для сигнала размаха полной шкалы). Третье слагаемое учитывает эффект передискретизации (выигрыш по обработке или processing gain): если полоса обрабатываемого сигнала (BW < fs/2), то, применив цифровой фильтр низких частот (либо полосовой, тут зависит все от полосы и несущей) к результату преобразования, можно вырезать часть шума АЦП, а оставшаяся часть будет распределена от 0 до BW (рис. 8). Если шум АЦП равномерно распределен по всем частотам (т.н. белый шум) интегральный шум после фильтрации уменьшится в fs/2 / BW раз, что и отражает третий член формулы.

Рис. 8: Увеличение SNR за счет передискретизации
Общие нелинейные искажения (THD total harmonic distortion). Прежде, чем сигнал преобразовывается в цифровой код, он проходит через нелинейные блоки, которые искажают сигнал. К примеру, пусть есть сигнал с частотой f. Пройдя через нелинейный блок к нему добавятся компоненты с частотами 2f, 3f, 4f 2-я, 3-я, 4-я и т.д. гармоники входного сигнала. Если дискретизированный сигнал разложить в спектр с помощь ДПФ (Дискретного Преобразования Фурье), мы увидим, что все эти гармоники перенеслись в первую зону Найквиста (от 0 до fs/2) (рис. 9).

Рис. 9: Нелинейные искажения

Побочные гармоники искажают обрабатываемый сигнал, что ухудшает производительность системы. Этот эффект можно измерить, используя характеристику общие нелинейные искажения. THD определяется как отношение суммарной мощности гармонических частотных составляющих к мощности основной (исходной) частотной составляющей (в некоторых документациях выражается в дБ):

$THD=\ \frac{\sqrt{{P_2}^2+{P_3}^2+\ldots+{P_n}^2}}{P_1}$
Динамический диапазон, свободный от гармоник (SFDR Spurious-Free Dynamic Range). Является отношением мощности полезного сигнала к мощности наибольшего спура (любая паразитная составляющая в спектре, не обязательно гармонического происхождения), присутствующего в спектре (рис. 9).
Отношение сигнал / шум и нелинейные искажения (SINAD signal-to-noise and distortion ratio). Аналогичен SNR, но помимо шума учитывает все виды помех и искажений, возникающих при аналого-цифровом преобразовании. SINAD является одним из ключевых параметром, характеризующим АЦП (в некоторых источниках обозначается как SNDR):

$SINAD=10\cdot lg(\frac{P_{signal}}{P_{noise}+P_{distortion}})$
Эффективное число бит (ENOB effective number of bits) некая абстрактная характеристика, показывающая сколько на самом деле бит в выходном коде АЦП, несет в себе полезную информацию. Может принимать дробные значения.

$ENOB=\ \frac{SINAD-1.76}{6.02}$

Сравним архитектуры

На данный момент в мире существует множество различных архитектур АЦП. У каждой из них есть свои преимущества и недостатки. Не существует архитектуры, которая бы достигала максимальных значений всех, описанных выше параметров. Проанализируем какие максимальные параметры скорости и разрешения смогли достичь компании, выпускающие АЦП. Также оценим достоинства и недостатки каждой архитектуры (более подробно о различных архитектурах можно прочитать в статье на хабр).

Таблица сравнения архитектур

Тип архитектуры	Преимущества	Недостатки	Максимальное разрешение	Максимальная частота дискретизации
flash	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт.	Высокое энергопотребление. Ограниченное разрешение. Требует большой площади кристалла ( $inline$ компараторов). Трудно согласовать большое количество элементов (как следствие низкий выход годных).	14 бит 128 КВыб/с AD679	3 бит 26 ГВыб/с HMCAD5831
folding-interpolated	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. Требует меньшее число компараторов благодаря предварительной свёртке всего диапазона обработки в некоторый более узкий диапазон. Занимает меньше площади.	Ошибки, связанные с нелинейностью блока свёртки. Задержка на установление уровней в блоке свёртки, которая уменьшает максимальную fs. Среднее разрешение.	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200
SAR	Высокая точность. Низкое энергопотребление. Легка в использовании.	Ограниченная скорость.	32 бит 1 МВыб/с LTC2500	10 бит 40 МВыб/с XRD64L43
pipeline	Быстрый преобразователь. Самая высокая точность среди быстрых АЦП. Не занимает большую площадь. Имеет меньшее потребления, среди аналогичных быстрых преобразователей.	Конвейерная задержка.	24 бит 192 КВыб/с AK5386	12 бит 10.25 ГВыб/с AD9213
dual-slope	Средняя точность преобразования. Простота конструкции. Низкое потребление. Устойчивость к изменениям факторов внешней среды.	Обрабатывает низкочастотные Сигналы (низкая fs). Посредственное разрешение.	12+знаковый бит 10 Выб/с TC7109	5+знак бит 200 КВыб/с HI3-7159
-	Самая высокая точность пре- Образования благодаря эффекту Noise shaping (спецефическая фильтрация шума квантования) и передискретизации.	Не может работать с широкополосным сигналом.	32 бита 769 КВыб/с AK5554	16 бит 640МВыб/с AD9267

Информацию для таблицы брал на сайте arrow, поэтому если что-то упустил поправляйте в комментариях.

Заключение

Описав параметры разрабатываемой вами системы, можно понять какие характеристики АЦП для вас являются критичными. Однако не стоит забывать, что динамические параметры преобразователей сильно зависят от многих факторов (частота дискретизации, частота входного сигнала, амплитуда входного сигнала и тд.) Зачастую в таблицах параметров в документации указывают только красивые (с точки зрения маркетинга) цифры. Приведу пример, возьмем АЦП ad9265 и рассмотрим его параметр SFDR при частоте входного сигнала 70 МГц:

Таблица показывает значение SFDR при максимальных значениях частоты дискретизации, однако если вы будете использовать частоту ниже (к примеру 40 МГц), вы не получите этих хороших значений. Поэтому советую анализировать характеристики АЦП по графикам, чтобы примерно понимать сможет ли данная микросхема обеспечить нужную Вам точность преобразования.

Подробнее..

Категории: Инженерные системы , Схемотехника , Электроника , Ацп , Электроника для начинающих , Схемотехника для чайников

Power-line communication. Часть 1 Основы передачи данных по линиям электропередач

25.08.2020 02:16:19 |

Автор: admin

Не так давно передо мной встала нетривиальная задачка собрать устройство, которое могло бы по линиям электропередач (0,4 кВ), в сетях обычных бытовых потребителей, передавать некоторую информацию, а точнее показания электросчетчиков.

Перед началом работы над созданием этого устройства, я мало понимал в цифровой обработке сигналов и в том, как работают компьютерные сети на физическом уровне. Нужно было быстро погрузиться в вопрос и выстроить план по созданию рабочего прототипа.
В процессе изучения я нашел очень много специализированной литературы по электронике, микроконтроллерам и цифровой обработке сигналов, которая очень помогла мне в этом. Но в самом начале пути для выбора направлений изучения мне бы пригодились обзорные статьи вроде этой.

Дальнейший материал это выжимка из профессионального опыта в том виде, в котором я бы хотел это рассказать самому себе из прошлого. Многие факты сильно упрощены для лучшей читаемости.

Коммуникация

Начнём с абстракций. Представим, что нужно передать порцию информации от одного человека другому. На изображении: красный человечек это передатчик, а синий приёмник.

Для передачи информации будем использовать голос. Информация это какой-то текст в нашей голове. Текст можно разбить на буквы и каждую букву представить в виде звукового сигнала. Таким образом можно кодировать каждую букву каким-то соответствующим звуковым сигналом.

Проводник

Звук, как известно, распространяется в виде волн колебаний частиц воздуха или иной среды. В нашем случае средой для распространения сигнала служит воздух. От красного человечка звуковые волны по воздуху распространяются во все стороны.

Полезный сигнал

К счастью, информацию из нашей головы мы не можем мысленно передать напрямую в голову собеседнику. Поэтому буквы из нашей головы на аппаратном уровне мы преобразуем (кодируем) в звуковые сигналы (наборы звуковых волн). Будем называть это полезным сигналом.
Важно: каждая буква кодируется устойчивым набором звуковых волн. Из этих волн мы можем распознать определенную букву (если мы ее знаем, конечно же). Происходит преобразование из буквы в звук и обратно из звука в букву.

Шум

Шум это такой же сигнал, но он не несёт в себе полезной информации. Шум искажает полезный сигнал и уменьшает дальность уверенного приема. Это может быть толпа людей, громко говорящих о чем-то своем, а может быть даже эхо или другие посторонние звуки, которые смешиваются с полезным сигналом. Шум обычно мешает прохождению полезного сигнала до приемника.

Протокол

В таком виде сигнал доходит до приемника. Приёмник из набора звуковых волн узнаёт (декодирует) буквы и собирает из них слова. Если ему кажется, что это бессмысленный набор звуков, то он их отбрасывает либо пытается восстановить исходный сигнал по сложному алгоритму. Отчасти, из-за этого мы иногда сначала переспрашиваем Что?, а уже потом понимаем, что всё расслышали.

Протокол это, по сути, набор правил и алгоритмов, по которым мы из полезного сигнала сможем вычленить информацию. В данном примере это наш язык, на котором мы общаемся с собеседником. По нему мы узнаем смысл переданных звуков. Всё это происходит неосознанно можно сказать на аппаратном уровне.

Всё описанное выше в очень упрощенном виде показывает, как работает передача данных не только между людьми, но и между электронными устройствами. Только физическим воздействием у них будет, например, электрическое напряжение, а проводником медный кабель. Информация, хранящаяся в устройстве, может быть передана с помощью различных физических сред передачи и протоколов, но суть примерно одна и та же: проводник, физическое воздействие, протокол.

Линии электропередач как канал связи

Далее мы по шагам разберемся, как передавать данные по линиям электропередач, и по ходу дела придумаем свой ~~велосипед~~ протокол. Основные идеи из открытого промышленного стандарта X10.

Чтобы использовать линии электропередач в качестве канала связи, нужно понять, как они устроены, и какие физические процессы в них происходят.
Взглянем на схему доставки электроэнергии от подстанции до жилых домов. Электрические сети трехфазные, и от подстанции идут три фазы (A, B и С), которые электрически изолированы друг от друга.

Для простоты условимся, что каждая фаза это отдельный канал связи. Устройства, подключенные к разным фазам, не слышат друг друга.
Сейчас на рынке есть устройства, которые умеют общаться между фазами, для них вся подстанция это один канал связи. Но пока для понимания это не играет особой роли.
Далее на схемах будем рассматривать только фазу А (в других всё аналогично).

При подключении нескольких приемо-передающих устройств к одной фазе образуется сетевая топология типа общая шина. Сигнал, отправленный одним из устройств, получат все остальные устройства, находящиеся в пределах распространения сигнала.

Проводник

Подробнее изучим среду передачи сигнала. Для этого рассмотрим, в каком виде передается электрическая энергия, и узнаем, как через этот поток мы можем передать свой полезный сигнал.
Электроэнергия передается в виде переменного тока. Проводниками обычно выступают алюминиевый или медный кабели. Напряжение в электрической сети имеет форму синусоиды с периодом 20 миллисекунд (частота 50 Гц).

Так как ток переменный, он периодически меняет направление течения, и в момент смены направления мощность практически не передается (если не учитывать сдвиг из-за сильной емкостной или индуктивной нагрузки). Наступают мгновения затишья. Это называется zero cross (далее ZC) момент, в который напряжение равно нулю.

В этот момент в сети также наблюдается наименьший уровень шума. Это самый благоприятный момент для генерации полезного сигнала.

В электрической сети с частотой 50 Гц (как в России) момент ZC происходит 100 раз в секунду. И если передавать по одному символу за один переход через ноль, то скорость соединения будет равна 100 бод/сек. Скорость передачи в байтах уже зависит от формата кадра, от того, сколько служебных бит, помимо самих данных, будет в кадре (о формате кадров ниже по тексту).

Синхронизация

Еще один немаловажный момент это синхронизация момента передачи и приема между устройствами.
Для нашего нового протокола будем использовать синхронную передачу данных, так как это проще в реализации.
Передатчику нужно знать, в какой конкретный момент надо включить ЦАП для генерации сигнала. Приемнику нужно понимать в какой конкретный момент надо включить АЦП для измерения и оцифровки входящего сигнала. Для этого кто-то должен подавать сигнал процессору.
Этим будет заниматься отдельная часть схемы устройства Zero Cross Detector. Он просто дожидается, когда напряжение на линии будет 0 вольт, и подает об этом сигнал. В сетях с частотой 50 Гц, сигнал будет приходить каждые 10 миллисекунд.

Электрическое напряжение распространяется со скоростью света, и поэтому можем условно принять, что момент ZC во всех точках сети происходит одновременно.

В интернете можно найти примеры схем детектора под названиями Детектора нуля или Zero Cross Detector.

Полезный сигнал

Существуют различные варианты кодирования информации для передачи по ЛЭП. Мы будем использовать узкополосную передачу с частотной модуляцией, т.к. она проще для понимания и надежнее. Минусом является низкая скорость передачи данных, но для нас это пока не играет особой роли.
Полезный сигнал это обычная синусоида фиксированной амплитуды. Изменяется у только частота сигнала. Выберем пару частот и скажем, что сигнал с одной частотой это 0, а сигнал с другой частотой это 1.

Другой вариант: как в стандарте X10, наличие сигнала означает 1, а его отсутствие 0.

Физически этот сигнал можно генерировать с помощью модуля ЦАП, который есть почти в любом современном микроконтроллере. На вход ЦАП принимает программным путем цифры (уровень сигнала), а на выходе выдает соответствующий этой цифре уровень напряжения. Таким нехитрым образом можно по таймеру подавать в модуль ЦАП массив чисел, а на выходе получать синусоиду с нужной нам частотой.

Подробнее о том, как эффективно генерировать синусоидальный сигнал, расскажу в следующей статье.

Шум

В ЛЭП изначально присутствует довольно мощный сигнал это передаваемая электрическая энергия от подстанции до жилых домов. И при нагрузке появляется большое количество шума на широкой полосе частот. Бытовая техника, блок питания компьютера, зарядные устройства они испускают широкий спектр частот в электрическую сеть.

Для понимания, сравним выделенную линию передачи данных с ЛЭП.
Выделенная линия это отдельный провод, по которому общается некоторое количество устройств. Можно сравнить с пустой комнатой, в которой можно комфортно общаться.

А ЛЭП можно сравнить с коридором, в котором проводят работы перфоратором, и по середине едет поезд (очень шумно). В этих условиях передать информацию сложно, но реально.

Протокол

Кодирование очень простое выбираем несколько символов и ставим в соответствие каждому какую-либо частоту сигнала. Для простоты сделаем три символа:

Start по этому символу устройство поймёт, что началась передача кадра;
0 это символ бита 0;
1 это символ бита 1.

Передатчик по сигналу из ZC детектора на короткое время генерирует синусоиду нужной частоты. И таким образом передается по одному символу (S, 0 или 1) за один переход напряжения сети через ноль (каждые 10 миллисекунд). Приемники измеряют этот сигнал, узнают его частоту и записывают соответствующий этой частоте символ (S, 0 или 1) в буфер.

Теперь мы умеем сообщать о начале кадра и передавать некоторый набор единиц и нулей. Далее из них будем складывать слова или кадры. Целостные порции информации.

Формат кадра

Нужно ещё придумать формат кадра, который мы будет передавать с помощью этих символов. Есть несколько важных моментов, которые отразятся на формате данных: длина кадра, адресация, проверка целостности.

Длина кадра
Чем больше порция данных, тем меньше накладных расходов на передачу данных, так как помимо самих данных в кадре есть служебная информация вроде контрольной суммы и адреса назначения. Но чем меньше порция данных, тем больше вероятность успешной передачи. Тут важно найти золотую середину. Определяется это обычно опытным путем. Если взять пример из компьютерных сетей, то в Ethernet кадре было выбрано ограничение в 1500 байт данных (несмотря на то, что эта цифра быстро устарела, она используется до сих пор).

При сильном увеличении длины кадра, вероятность передать хоть какие-то данные стремится к нулю.

Адресация
Нужно ещё не забыть, что у нас топология сети общая шина. Информацию, отправляемую в эту шину, будут получать все устройства. И чтобы общение у них хоть как-то заладилось, у них должны быть адреса.
Адрес добавим в самое начало кадра, чтобы принимающая сторона, для которой не предназначены эти данные, не тратила время на прослушивание и ожидание всего кадра, так мы немного освободим процессор от бесполезной работы.

Длина адреса выбирается исходя из максимального количества устройств, которые могут одновременно находится в одной области видимости. Например, 8 бит это максимум 255 устройств (если 0 оставить как широковещательный).

Проверка целостности
При передаче информации по ЛЭП очень большая вероятность потерять часть данных. Поэтому обязательно должна быть проверка целостности. Для этих целей в кадр добавляется концевик. Это некоторая избыточная информация, с помощью которой приёмник сможет убедиться в том, что данные не искажены.

Придумаем окончательный вид кадра. Пусть длина адреса будет 8 бит (255 устройств в канале + 1 широковещательный адрес). Затем идут данные 8 бит (1 байт).
Концевиком у нас будет просто результат сложения адреса и байта. Но есть один нюанс: устройство может стабильно ловить сильный шум на частоте наших символов 0 или 1 и думать, что это полезный сигнал. И есть большая вероятность ложно считывать крайние значения типа 0x00 или 0xFF. Для защиты от этого, при подсчете концевика, просто будем прибавлять число 42.

Примерно так будет выглядеть один кадр данных: отправляем число 110 на устройство с адресом 17, концевик 169 (110 + 17 + 42).

Целый кадр будем собирать по кусочку из приходящих символов 0 и 1 после символа Start.

Опишем алгоритм приема кадра.
Изначально устройство находится в ожидании символа Start. Буфер отключен, в него ничего не пишем.
Когда пришёл символ Start, для удобства очищаем буфер приема и запускаем счетчик бит (по счетчику бит будем определять целый кадр).

Каждый следующий символ (0 или 1) последовательно пишем в буфер приема и инкрементируем счетчик бит.

Когда соберется нужное количество бит (полный кадр), проверяем целостность. Выделяем из кадра Адрес и Данные. Подсчитываем по алгоритму Концевик и сравниваем с тем, что в кадре.

Если значения сошлись, извлекаем из кадра данные и отправляем в вышестоящий протокол.

Если значения не сошлись, продолжаем ждать символ Start. И всё заново.

Примерно таким образом мы можем медленно, но верно передавать байт за байтом от одного устройства другому. Приемник будет складывать эти байты в приемный буфер протокола на уровень выше физического и там уже будет решать, что делать: выполнить входящую команду или вернуть какие-то данные в ответ.

Итог

В этой статье я постарался общим и понятным языком ввести читателя в тему передачи данных по линиям электропередач. Надеюсь, кому-то это информация пригодится, возможно, не только в области PLC.
В следующей части хотелось бы рассказать про алгоритм быстрой генерации синуса, который я применял. И о том, как из массива чисел оцифрованного сигнала узнать его частоту (ДПФ). Немного расскажу про железки для всего этого.

Возможно кто-то в комментариях подкинет ещё идей. Буду рад обратной связи!

Ссылки и материалы по теме:
Про шум в сетях
Ещё про шум в сетях
Один из вариантов Детектора нуля
Wiki: Связь по ЛЭП
Wiki: Трёхфазная система электроснабжения
ГОСТ Р 51317.3.8-99 (МЭК 61000-3-8-97) Совместимость технических средств электромагнитная. Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям.

Подробнее..

Категории: Plc , Разработка систем связи , Программирование микроконтроллеров , Stm32 , Передача данных , Ацп , Блог компании directum , Power line communication , Лэп , Цап , Линии электропередач

Power-line communication. Часть 2 Основные блоки устройства

26.01.2021 02:10:54 |

Автор: admin

Часть 1 Основы передачи данных по линиям электропередач

В первой части статьи мы кратко ознакомились с основными понятиями при передаче данных по линиям электропередач. Узнали, что такое полезный сигнал, как с его помощью можно кодировать передаваемую информацию. Но ни слова не было о том, как это устройство должно быть выполнено физически, как оно будет генерировать сигнал, и каким образом его вообще подключить к сети 220 В.

В этой и следующей частях статьи опишем, какие основные блоки должны быть в простейшем устройстве передачи данных по PLC. Постепенно, как конструктор, будем добавлять в общую картину блок за блоком и разберемся для чего нужен каждый блок и как он работает.

- Введение
- Мозги устройства микроконтроллер
- Основные требования к микроконтроллеру
- Выбор подходящего микроконтроллера
- Особенности питания устройства

Дисклеймер: статья не является руководством по созданию устройства и не является справочником по электронным компонентам. Это просто результаты моих экспериментов и некоторый накопленный практикой опыт, который, надеюсь, будет полезен тем, кто интересуется темой. Если есть какие-то замечания, интересные ссылки и книги, обязательно оставляй это в комментах.

Введение

Для начала кратко вспомним из части 1, как происходит передача данных. На изображении одна из фаз ЛЭП. Красное устройство передает, синие слушают. Биты данных один за одним передаются в виде синусоидальных сигналов различной частоты (FSK модуляция).

В мозге устройства микроконтроллере зашит протокол, по которому передаются/принимаются данные. Также в прошивке микроконтроллера для каждого передаваемого символа (или бита) задана соответствующая частота сигнала.

Для примера: если передается символ 0, то генерируется полезный сигнал в виде синусоиды 74 кГц. А если передается 1, то генерируется синусоида с частотой, например, 80 кГц. Номиналы частот не особо важны, просто выбираются любые из разрешенных диапазонов. Главное, чтобы приемник смог их различить.

В первой части статьи упоминалось про третий символ S, который означал начало кадра. Он также кодировался своей определенной частотой. Когда устройство получало символ S, входной буфер очищался. Для простоты в этой статье будут упоминаться только 0 и 1.

Передающие и принимающие устройства синхронизируются между собой с помощью отдельного блока устройства zero cross детектора.

Представим передающее устройство, в котором есть подготовленный кадр данных некий массив нулей и единиц, и этот кадр нужно передать по PLC каналу связи (ЛЭП). Передача/прием кадра происходит по одному биту за один синхросигнал из ZC детектора.

Физически это значит, что за один синхросигнал из ZC детектора генерируется один полезный сигнал определенной частоты. В нашем случае это синусоиды 74 кГц или 80 кГц.

Таким образом, бит за битом, передается кадр данных в PLC канал. Совместно с микроконтроллером генерацией сигналов будет заниматься отдельная часть схемы. Назовём её Выходная цепь.

Задача принимающих устройств каждый раз, по сигналу ZC детектора, оцифровывать полезный сигнал из PLC канала и узнавать, какой символ там был закодирован.

Но сначала сырой сигнал нужно грубо очистить от шума, подогнать уровень очищенного сигнала под пригодный для оцифровки и уже затем передать на АЦП микроконтроллера для дальнейшего цифрового анализа. Этой подготовкой полезного сигнала для АЦП будет заниматься Входная цепь.

Чтобы не раздувать эту часть статьи, расскажу только про задачи, решаемые микроконтроллером и некоторые особенности питания устройства.

В следующей части рассмотрим как устройство можно согласовать с сетью 220 В, работу ZC детектора, а также про входную и выходную цепи.

Мозги устройства микроконтроллер

Центральная часть устройства микроконтроллер, который будет контролировать всю схему: обрабатывать входной сигнал, генерировать полезный сигнал, управлять усилителями, хранить данные и т.д.

Микроконтроллер это такой мини-компьютер, который в одном корпусе содержит процессор (ЦПУ), память (ПЗУ и ОЗУ), ввод-вывод и периферийные устройства. По сути, внутри уже все есть для работы: подаем питание и поехали. Дальше все зависит уже от программы прошивки, которую мы в него записали.

Рисунок с сайта digikey.com

Сейчас выпускают микроконтроллеры с большим количеством различной встроенной периферии. Это очень удобно, так как меньше необходимости во внешних компонентах, что экономит место на печатной плате (и, конечно же, ваши денежки). Внутри может иметь ЦАП и АЦП, часы с календарем. Даже встроенный USB уже не удивляет.

На рынке огромное разнообразие микроконтроллеров с разной вычислительной мощностью и периферией. Обычно они группируются в серии и подходят под разные классы задач. Например, чтобы помигать светодиодом в миниатюрном устройстве, нам не нужен мощный камень, на котором можно запустить Linux, подойдет ATtiny. Но для нашего устройства его уже не хватит, так как нужны ЦАП, АЦП и быстрые вычисления в реальном времени.

Поэтому к выбору камня нужно подойти немного поразмыслив. Подумаем, что же требуется от микроконтроллера в нашем случае.

Основные требования к микроконтроллеру

Производительность

Основной нагрузкой на ЦПУ будет обработка оцифрованного входного сигнала с помощью ДПФ для выяснения того, какой символ был закодирован в сигнале: 0 или 1. Далее этот символ будет отправляться в протокол на уровень выше. Больше всего вычислений будет происходить именно при подсчете гармоник в ДПФ.

Циклично, с интервалом 10 миллисекунд, АЦП будет оцифровывать входящий сигнал и сохранять его в виде массива чисел. Затем этот массив несколько раз прогоняется через ДПФ для выяснения амплитуд гармоник каждой из интересующих нас частот в полезном сигнале.

Результат визуально можно представить в виде эквалайзера, на котором нарисованы полоски определенных частот разной высоты (амплитуды). Для подсчета высоты каждой отдельной полоски нужно сигнал прогонять через ДПФ.

После подсчета некоторого количества гармоник, делаются выводы о том, какой символ закодирован.

В самом простом случае можно просто сравнить амплитуды гармоник 74 и 80 кГц между собой. Если в сигнале преобладает гармоника с частотой 74 кГц, записываем в входной буфер бит 0.

Если в сигнале преобладает гармоника с частотой 80 кГц, записываем в входной буфер 1.

В таком случае, любой шум что-то означает: 0 либо 1, даже если ничего не передавалось. Отделением зерен от плевел будет заниматься отдельная подпрограмма уровнем выше которая будет проверять целостность кадра и прочие прелести.

Задача же этого уровня просто, как конвейер, подавать 0 и 1 наверх, а дальше из них будут складываться правильные целостные кадры данных. ~~Или не будут~~.

Также можно заморочиться и дополнительно рассчитывать амплитуды смежных гармоник и узнавать уровень шума относительно полезного сигнала. Можно программно фильтровать сигнал и тд. Вариантов много.

Суть в том, что считать, возможно, придется много. Успевать считать нужно гарантированно, так как это реалтайм-конвейер.

Если разложить всю нагрузку на которую ЦПУ тратит время друг за другом, то получим примерно это:

оцифровка сигнала
подсчет амплитуд гармоник через ДПФ и анализ результата
прочая нагрузка (обработка прерываний из интерфейсов USB или CAN, обработчики таймеров, моргания светодиодами, работа с памятью, какие-то вычисления по протоколу и т.д.)

Это должно циклично выполняться каждые 10 миллисекунд снова и снова. ЦПУ никогда не должен быть загружен на 100%, иначе есть риск не успеть посчитать что-то важное. Поэтому всегда нужно оставлять запас по производительности.

Энергоэффективность

Обратная сторона быстрых вычислений большее потребление энергии. Чем быстрее контроллер считает, тем больше он потребляет энергии. Поэтому нам не нужен слишком мощный процессор.

Подобрать нужную производительность ЦПУ можно опытным путём: берём микроконтроллер с запасом вычислительной мощности и памяти, пишем код, запускаем и смотрим за какое время он справляется с конкретными задачами. Выбираем из линейки контроллеров подходящий, оставляя небольшой запас мощности и памяти (для возможных обновлений и улучшений).

Должен быть достаточно быстрый АЦП

Нам нужно оцифровывать входной аналоговый сигнал и желательно, чтобы был встроенный АЦП. Точность тут не так важна, как скорость. Так как измеряемый сигнал имеет частоту до сотни килогерц. Для корректных вычислений гармоник есть условие.

Частота дискретизации должна быть минимум в два раза больше частоты измеряемого сигнала [Теорема Котельникова].

Это значит, что для распознавания сигнала нужно сделать от двух точек измерения на период. А по-хорошему 4-5. Посмотрим на примере.

Представим, что мы измеряем сигнал, в котором есть нужная нам гармоника частотой 80 кГц. У сигнала с частотой 80 кГц период 1/80000 = 12,5 микросекунд. Чтобы оцифровать 5 точек на период нужно успевать делать измерение раз в 2.5 микросекунды для адекватного распознавания сигнала.

С пятью точками измерений на период уже выглядит неплохо. ДПФ с этим отлично справится.

Но для чего брать с запасом? Что если измерять по минимуму, только две точки на период? Вот такой сигнал мы оцифруем при удачном попадании.

А так будет выглядеть оцифрованный сигнал, если попасть в момент, когда сигнал в нуле.

Не похоже на синусоиду.

Если интересно посмотреть, что будет, если проводить измерения частотой меньше двух точек за период, то поищите в гугле картинки Эффект алиасинга.

Должен быть достаточно быстрый ЦАП

Для полезного сигнала нужно сгенерировать синусоиду большой частоты. Чем больше точек на период синусоиды успеет генерировать ЦАП, тем плавнее будет сигнал на выходе (меньше лесенка, которую затем сгладит конденсатор).

Представим на примере синусоиды с частотой 80 кГц, период 12.5 микросекунд. Возьмем для начала 4 точки на период. Генерация каждые 3.125 микросекунды.

Такой сигнал сложновато будет сгладить конденсатором, чтобы сделать его похожим на синус.

Увеличим количество точек вдвое. Генерация каждые 1.56 микросекунды.

Нужна достаточная скорость ЦАП для того, чтобы сигнал был хотя бы похож на синус. В нашем случае, с сигналом частотой до 80 кГц, будет достаточно чтобы ЦАП успевал менять уровень сигнала раз в 1.5 микросекунды. Если успеет быстрее, то еще лучше.

С выхода ЦАП этот угловатый сигнал проходит через пассивный фильтр нижних частот и в сглаженном виде идет на усилитель выходной цепи.

Если нет АЦП

Помню, в самом начале я проводил эксперименты на 8-битных AVR от Atmel серии ATmega8, и у них в распоряжении не было АЦП. Но на них было очень удобно начинать знакомство с миром микроконтроллеров. Низкий порог вхождения и никаких танцев с бубнами при запуске.

Ну так вот, входной сигнал я решил оцифровывать простой ножкой в режиме входа. Если входное напряжение выше 2.5В, то у ножки было логическое состояние 1, если ниже 2.5В, то 0. В равные промежутки времени просто считывалось текущее состояние ножки и эти значения записывались в массив.

И этот оцифрованный сигнал прогонялся через ДПФ и вычислялось наличие нужных гармоник. Ни о какой точности или чувствительности речи и не шло, но это работало.

Если нет ЦАП

Аналогичная ситуация на ATmega8 была с ЦАП. Его там нет, и мне очень не хотелось заморачиваться с внешним ЦАП.

Оказалось, что можно пожертвовать логическими выходами микроконтроллера и подключить к ним резисторную матрицу R-2R. Таким образом из горстки резисторов собрать свой ЦАП с нужной разрядностью.

Картинка с сайта easyelectronics.ru

Подавая 0 и 1 на выходы микроконтроллера, можно получать нужный уровень напряжения на выходе OUT. Чем больше выходов будет использовано, тем выше разрядность ЦАП. По схеме R-2R оставил ссылку в конце.

Выбор подходящего микроконтроллера

После экспериментов на ATmega8 мне захотелось улучшить то, что есть. Выбирая из разных вариантов, я положил глаз на STM32. А конкретно на STM32F103 это 32-битные микроконтроллеры на ядре ARM Cortex-M3 (до 72 MHz).

Эксперименты проводил на отладочной плате, которая, наверное, есть в любом магазине электроники. На отладочной плате сразу располагался программатор, с помощью которого прошивается на МК.

Немного пострадав с его запуском, сразу же побежал проверять его по своему чек листу.

Производительность?

Схема тактирования позволяет работать ЦПУ на частоте 72 MHz, что после 8-битных на 20 MHz было с запасом. Хватало для более точных расчетов по алгоритму ДПФ.

Энергоэффективность?

При почти максимальной нагрузке потреблял около 40-50 мА. Дешевый стабилизатор напряжения в схеме питания на 100 мА с этим справлялся. Даже с учетом остальной маложрущей периферии этого было достаточно.

Достаточно быстрый АЦП?

Разобрался, как разогнать до максимальной скорости АЦП при частоте ЦПУ 72 MHz. Так как ранее было сказано, что полезный сигнал будет частотой в районе 80 кГц, то будем считать исходя из этого.

В доках для STM32 нашел, как вычислять минимальное время преобразования: нужно к настраиваемому времени семплирования (минимум 1.5 цикла) прибавить 12.5 машинных циклов. Получается 14 машинных циклов на одну точку измерения.

При определенной настройке схемы тактирования на модуль АЦП приходится 14 MHz. Если перевести в секунды, то 14 циклов при частоте тактирования 14 MHz это одно измерение в 1 микросекунду.

Идеально! Даже если полезный сигнал будет частотой 100 кГц, я смогу измерить 10 точек за один период сигнала. С минимальной точностью, но быстро.

Примерно так будет выглядеть оцифровка синусоиды 80 кГц.

Достаточно быстрый ЦАП?

По той же логике нам нужно сгенерировать синусоиду частотой около 80 кГц. И если мы хотим, чтобы синусоида была похожа на синусоиду, а не на странную угловатую фигуру, нужно генерировать одну точку хотя бы раз в 1.5 микросекунды, как мы выяснили ранее.

Почитав документацию, я понял, что в ЦАП STM32F103 встроенный ОУ имеет ограничение в 1 MSPS. Получилось настроить генерацию каждой точки сигнала раз в 1 микросекунду.

Примерно так при этом будет выглядеть синусоида с частотой 80 кГц на выходе из ЦАП.

Периферия

Что еще мне понравилось в STM32F103 это наличие встроенного USB. Там есть режим эмуляции COM порта. Мне показалось это очень удобным, особенно после внешних преобразователей USB-UART.

Можно подключать устройство к ПК обычным шнурком от телефона и через терминал посылать на устройство какие-нибудь отладочные команды.

Для экспериментов подключал два PLC устройства к двум компам, и они посылали друг другу ASCII символы, вводимые с клавиатуры. Получилось что-то вроде чата через розетку 220 В.

Особенности питания устройства

Сразу отмечу, что я не спец в проектировании блоков питания, для подробностей есть специализированная литература. Но считаю важным отметить некоторые моменты, которые влияют на стабильность системы, и с которыми у меня были проблемы.

Блок питания можно либо собирать самому, либо взять готовый модуль с нужными характеристиками, это неважно. В любом случае, нужно адекватно развести линии питания по печатной плате.

Схема питания устройства зависит от потребителей. В нашем случае основные жрущие потребители это микроконтроллер и выходная цепь, так как в ней усилитель для отправки сигнала в ЛЭП.

Остальные потребители вроде усилителей входного сигнала во входной цепи, EEPROM памяти или какие-то UART конвертеры потребляют немного.

Стабильное питание микроконтроллера

Первое и самое важное на что нужно обратить внимание это стабильность питания микроконтроллера. Он не любит скачки напряжения и может в самый неподходящий момент перезагружаться или просто начать себя странно вести (пропускать блоки кода).

И тут у нас проблемка: как назло, под боком у микроконтроллера находится выходная цепь с усилителем полезного сигнала. Этот блок устройства во время генерации сигнала импульсами потребляет мощность, что может прилично потрясти всю систему питания, обнулив при этом микроконтроллер.

Примерная картина потребления мощности

При передаче кадра это происходит каждые 10 миллисекунд длиной в 1 миллисекунду.

С этим у меня возникли трудности. Иногда устройство работало нормально, но чаще предсказуемо перезагружалось. Сначала пытался решить проблему блоком питания помощнее, но не помогало. В поисках решений много интересного узнал из форумов по робототехнике. Там похожие проблемы были в основном из-за сервоприводов, которые потребляют приличное количество энергии и, при неправильной разводке платы, могут внезапно перезагружать микроконтроллер.

Для тяжелых случаев есть пара советов, которые помогут уменьшить влияние скачков напряжения.

Совет 1 - Разделить землю на аналоговую и цифровую

Первый важный момент это обеспечение минимального влияния аналоговой части схемы на цифровую.

Для этого нужно разделить дорожки GND в самом начале схемы питания возле минуса блока питания. Ни в коем случае нельзя их пересекать или как-то замыкать в других частях схемы.

Для питания условно цифровых компонентов схемы (микроконтроллер, EEPROM память и т.д.) от самого блока питания должна идти отдельная линия, можно назвать её DGND.

Для питания аналоговой схемы генерации полезного сигнала от блока питания, соответственно, должна идти отдельная линия AGND. Подробнее можно почитать в статьях или литературе по заземлению.

Совет 2 - Не забыть про керамику

Конденсаторы нужно ставить перед каждой ножкой питания микроконтроллера и как можно ближе к ним. Обязательно выполнить минимум обвеса, который указан в Datasheet на микроконтроллер.

Картинка с сайта allexpress.com

Также желательно добавить в цепи питания микроконтроллера дополнительную емкость, в виде электролитического или танталового конденсатора, чтобы он мог даже выдерживать кратковременное отключение питания.

С танталовыми осторожнее, они красиво взрываются :).

Еще надо не забыть защитить ножку Reset микроконтроллера, как указано в Datasheet. В противном случае микроконтроллер может внезапно перезагружаться. Если нет светодиодной индикации запуска программы микроконтроллера, то можно этого даже не заметить.

Совет 3 - Экранировать цифровые компоненты

Может получиться так, что недалеко от микроконтроллера расположен высокочастотный трансформатор, который во время передачи сигнала генерирует электромагнитные помехи.

Мне помогло расположение микроконтроллера на другой от ВЧ трансформатора стороне печатной платы и наличие земляного полигона под корпусом микроконтроллера.

Картинка с сайта caxapa.ru "Помехоустойчивые устройства, Алексей Кузнецов"

Подробнее можно почитать в статье по ссылке в конце.

Заключение

В этой части мы в общих чертах разобрали чем занимается микроконтроллер. Узнали некоторые особенности питания устройства и возможные проблемы.

Статья вышла довольно объемной. Я постарался максимально коротко передать основные моменты. Может сложиться ощущение незаконченности и это нормально. Для углубленного изучения оставлю ссылки внизу.

В следующей части подробнее разберём оставшиеся блоки устройства: входная и выходная цепи, zc детектор и согласование устройства в сетью 220 В. После этого должна сложиться целостная картинка. В заключительной части пробежимся по программной части: обработке оцифрованного сигнала, генерация синуса и т.д.

У кого был/есть какой-либо опыт в PLC обязательно делитесь этим с остальными в комментариях :)

Полезные ссылки

https://nag.ru/articles/article/24485/strasti-po-plc.html - интересная статья по истории PLC
https://www.electronshik.ru/catalog/interfeys-modemy-plc - заводские PLC микросхемы с datasheet (там много схем и характеристик)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Частотная_манипуляция - FSK модуляция
http://www.atmega8.ru/ - про ATmega8

STM32
https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32f103.html - STM32F103
https://themagicsmoke.ru/courses/stm32/led.html - Помигать светодиодом на stm32
https://blog.avislab.com/stm32-clock_ru - схема тактирования stm32
http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/312810/ - подробнее про ЦАП в stm32
https://blog.avislab.com/stm32-adc_ru/ - АЦП в stm32
https://blog.avislab.com/stm32-usb_ru/ - USB в stm32

Аналоговая часть
http://easyelectronics.ru/parallelnyj-cifro-analogovyj-preobrazovatel-po-sxeme-r-2r.html - преобразователь по схеме R-2R
http://caxapa.ru/lib/emc_immunity.html - "Помехоустойчивые устройства", Алексей Кузнецов
https://www.ruselectronic.com/passive-filters - пассивные фильтры

Подробнее..

Категории: Plc , Разработка систем связи , Программирование микроконтроллеров , Stm32 , Передача данных , Ацп , Avr , Блог компании directum , Power line communication , Цап , Линии электропередач , Stm32f103 , Atmega8

Power-line communication. Часть 3 Основные блоки устройства

25.05.2021 00:13:35 |

Автор: admin

Часть 1 Основы передачи данных по линиям электропередач
Часть 2 Основные блоки устройства (начало)

Во второй части статьи мы начали знакомиться с основными блоками устройства для передачи данных по PLC. Это будет заключительная часть статьи, которая касается описания железа.

Осталось разобраться, что такое ZC детектор, на примере одной из его возможных реализаций. Посмотрим, как можно реализовать входную и выходную сигнальные цепи, и как их подключить к сети 220 В.

В статье не рассматриваются какие-либо серьёзные темы в области PLC. Как и в первых двух частях, кратко описываются блоки устройства и их взаимодействие. Темы выстроены так, чтобы у новичка примерно выстроилась общая картина простейшего PLC устройства. Также повествование касается множества сложных тем, которые не раскрываются. Поэтому в конце постарался оставить побольше ссылок.

Zero cross детектор

Как говорилось ранее, передающие и принимающие устройства синхронизируются между собой с помощью отдельного блока zero cross детектора.

Передающее устройство, отправляет подготовленный кадр данных по одному биту за один синхросигнал из ZC детектора. Физически это значит, что за один синхросигнал из ZC детектора генерируется один полезный сигнал определённой частоты, которым кодируется один бит.

В электросетях с частотой 50 Гц, синусоида напряжения пересекает ноль 100 раз в секунду.

Есть несколько вариантов исполнения ZC детектора. Ниже я покажу пример реализации на оптопаре.

Начнём с конца схемы сначала представим, как сигнал с ZC детектора попадает на контроллер.

На картинке схема с подтягивающим pull-up резистором и ключом. При замыкании ключа, на вход МК будет подаваться логический 0, а при размыкании ключа, pull-up резистор будет подтягивать напряжение на входе МК до логической единицы.

На место ключа ставим оптрон. Оптрон (оптопара) это простой элемент, в котором с одной стороны светодиод, а с другой фототранзистор.

При подаче напряжения на светодиод, фототранзистор будет пропускать ток. Оптрон также служит гальванической развязкой между сетью 220 В и цифровой частью схемы.

Остается только подавать на светодиод переменное напряжение из сети 220 В, но перед этим его необходимо выпрямить и уменьшить до приемлемого уровня, который выдержит светодиод оптопары.

Для выпрямления можно использовать smd мостовой выпрямитель.

После выпрямления на фотодиод пойдёт пульсирующее с удвоенной частотой напряжение от 0 до 310 В. Разумеется диод не выдержит такого размаха напряжения, поэтому после мостового выпрямителя поставим сопротивление.

Номинал сопротивления можно вычислить исходя из характеристик фотодиода в оптопаре

В datasheet на оптопару пишут максимальный ток, на который рассчитан фотодиод, исходя из этого нужно выбрать сопротивление с расчётом на 310 В. Чтобы резистор не перегрелся, можно вместо одного последовательно поставить несколько резисторов для эффективного отвода тепла (это особенно полезно если у вас SMD резисторы).

Из datasheet на PLC817

На примере PC817 видно, что максимальный ток, который выдержит светодиод - 50 мА. Максимальный коэффициент передачи при 20 мА. И "замыкать ключ" он будет уже и при >1 мА.

SMD резисторы типоразмера 1210 выдерживают рассеивание до 0.5 Вт мощности. Максимальный постоянный ток, который мы может пропускать при 310 вольт равен 0.5/310 = 0.00161 А. С учетом, того что у нас пульсирующее напряжение, округлим до 0.002 А (2 мА). Этого тока достаточно, чтобы "ключ замыкался". Номинал сопротивления при этом равен 310/0.002 = 155000 Ом. Итог: ставим последовательно три SMD резистора, типоразмером 1210, номиналом 51 кОм каждый.

В итоге, схема ZC детектора выглядит примерно так.

Теперь микроконтроллеры PLC устройств, подключенных к одной фазе могут синхронизироваться между собой с помощью сигнала на ножке "ZC input" из такого ZC детектора.

Схема согласования сигнальных цепей с линией 220 В

Схема согласования закрывает собой компоненты входной и выходной цепей. Входная и выходная сигнальные цепи обычно выполнены на микросхемах усилителях, которые питаются небольшим постоянным напряжением (3-12 В). Подключить их напрямую к 220 В не получится.

Из электросети должны проходить только высокочастотные сигналы. Основная гармоника 50 Гц, на которой передаётся электроэнергия, не должна попасть в сигнальные цепи устройства. Также в этой схеме обычно располагается защита от скачков напряжения и перегрузок.

Эта часть схемы принимает различный вид в разных datasheet на готовые PLC микросхемы. Опишем минимально работоспособный вариант.

Для первых опытов

Можно взять ферритовое кольцо типа 17,5x8,2x5 М2000Н, есть в любом магазине электроники. Провод МГТФ наматываем сразу 3 обмотки в 20 витков.

Конденсатор плёночный из серии MKP или любой аналогичный, который выдерживает от 220 В переменки (с запасом).

Для отсечения ненужных низкочастотных гармоник ставится конденсатор, который выдержит 220 В. После него, для гальванической развязки и также фильтрации, высокочастотный трансформатор. Трансформатор можно сделать с отдельными обмотками для входной и выходной цепей (как на изображениях) или использовать одну обмотку на "вход"/"выход".

Для защиты усилителей от импульсных перенапряжений можно поставить защитные диоды (супрессоры) и/или варисторы с предохранителем. Тема защиты устройства от электрических неприятностей довольно обширная, в этой статье не рассматривается. Но забывать про это не стоит.

Варианты схемы согласования можно подглядеть в готовых решениях различных фирм, выпускающих PLC микросхемы. Каждая схема согласования разрабатывается под входные/выходные усилители, используемые в этих решениях.

Входная цепь измерение полезного сигнала

Входная цепь должна выполнить как минимум две задачи:

отфильтровать грубый входящий сигнал, срезав все лишнее;
после этого усилить сигнал до приемлемого уровня, подходящего для измерения и оцифровки с помощью ЦАП микроконтроллера.

Фильтрация

Существует большое разнообразие вариантов исполнений фильтров. В нашем случае подойдёт простой пассивный полосовой фильтр. При узкополосной передаче можно грубо отсечь ненужные частоты сверху и снизу. Фильтр нужно рассчитываем так, чтобы наши рабочие частоты попадали по центру полосы пропускания и меньше всего срезались.

В самом простом случае можно особо не заморачиваться с фильтром, так как в линиях электропередач запросто могут быть шумы с частотами близкими к полезным. Нам просто нужно примерно совместить полосу пропускания фильтра с полезной полосой частот, срезав все сверху и снизу. Остальное можно решить программным путём.

Важно помнить, что элементы пассивного фильтра изготавливаются с большими погрешностями и характеристики сильно завязаны на температуру. Поэтому при расчетах нужно оставлять небольшой запас с учётом этих погрешностей и влияния температуры.

Усиление

У АЦП есть такая характеристика как разрешение. Оцифровка сигнала происходит с некоторой дискретностью. А после пассивной фильтрации входной сигнал заметно похудеет в амплитуде. И если подать на АЦП очень слабый сигнал, то его форма сильно исказится и потеряется большая часть информации о сигнале.

Амплитуду сигнала нужно поднять до приемлемой для измерений и оцифровки. В этом помогут операционные усилители (ОУ), которых на рынке огромное количество, и про которые написано тонны статей.

Самое сложное это выбрать подходящий ОУ по полосе пропускания и коэффициенту усиления. Выходная мощность ОУ в этом случае не важна, так как нам нужно лишь оцифровать форму сигнала.

Бывает, что одного ОУ не хватает для усиления сигнала до приемлемого уровня. В этом случае можно сразу после первого ОУ поставить второй по аналогичной схеме. В продаже есть микросхемы сразу с двумя ОУ в одном корпусе.

Ссылки на статьи про операционные усилители и их про каскадное подключение оставил в конце статьи.

Выходная цепь генерация полезного сигнала

Задача выходной цепи фильтровать и усиливать сигнал из ЦАП микроконтроллера.

Микроконтроллер по специальному алгоритму генерирует полезный сигнал, нужной длительности и частоты, соответствующей передаваемому символу. На выходе из ЦАП у нас получается просто болванка полезного сигнала, угловатая, примерно похожая на синусоиду, но (самое главное!) нужной нам частоты.

Далее сигнал сглаживается фильтром и отправляется в аналоговую часть схемы (усилитель и схема согласования с 220 В).

Можно подумать, что форма сигнала не особо важна при кодировании, так как преобразование Фурье всё равно может вычленить основную гармонику полезного сигнала, отбросив всё лишнее. Но чем сигнал ближе по форме к синусоиде, тем меньше энергии мы будем тратить в пустоту, просто добавляя высокочастотный шум в сеть. И выходной усилитель будет работать стабильнее. Как уже говорилось на входе важна лишь основная гармоника сигнала. Остальные гармоники это шум.

Так как мощности сигнала на выходе ЦАП микроконтроллера недостаточно для отправки его напрямую в линию электропередач, после ЦАП нам обязательно нужен внешний усилитель.

При выборе усилителя разбегаются глаза. Не буду рассказывать про всё многообразие, но подскажу вариант для ленивых, как я. Можно использовать одну из готовых микросхем для усиления аудио сигналов в аудиоплеерах. Мощность у них обычно не большая около 1W.

Гуглить их можно по фразе audio amplifier btl 1w. Но тут нужно учесть, что они обычно рассчитаны на аудио сигналы до 20 кГц, и производитель не рассчитывал, что их будут использовать в PLC модеме. Есть модели, которые хорошо усиливают частоты до 100-150 кГц, и обычно в datasheet об этом не пишут.

Плюсы:

они очень удобны тем что там встроенная стабилизация сигнала;
есть режим mute - мизерное потребление в режиме простоя;
хватает однополярного питания не надо париться с блоком питания.

Минусы:

во включенном состоянии из-за обратной связи съедают входящий сигнал, поэтому усилитель надо выключать, когда устройство в режиме прослушивания (приёма);
большой минус это их незащищённость от импульсных помех в электросети. Сгорают мгновенно. Но от этого можно спастись, поставив на выходе усилителя супрессоры, что-то наподобие P4SMAJ5.0A или аналогичный.

Примерно так выглядит усиление с однополярным питанием.

Также нужно не забыть на выходе усилителя ставить конденсатор, чтобы отсечь постоянную составляющую сигнала.

Итого

Во второй и третей частях мы коротко пробежались по основным блокам простейшего PLC устройства, создали общую картину их взаимодействия. Так как затрагиваемых тем очень много и они дольно глубокие, подробнее осветить их в статье не получилось (да и я в них не специалист). Для более серьезного изучения есть специализированная литература. Но новичку иногда сложно понять в какую сторону копать. Поэтому конце оставил много ссылок на различные обзорные статьи по связанным темам.

В следующей части статьи планировал на примерах показать, как можно программно генерировать синус нужной частоты для ЦАП в STM32. И заодно как обработать приходящий на АЦП сигнал и выяснить наличие в нём нужных гармоник (частот) полезного сигнала.

Полезные ссылки

Общее:

https://nag.ru/articles/article/24485/strasti-po-plc.html Интересная статья по истории PLC;
https://cmi.to/разрешение-и-разрядность-ацп/ Про разрешение АЦП;
https://ru.wikipedia.org/wiki/Частотная_манипуляция FSK модуляция;
http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/312810/ - интересно, подробно про ЦАП в stm32;
https://narodstream.ru/stm-urok-30-hal-dac-sinus-dma/ STM32, синус через DMA;
http://www.electrosad.ru/Electronics/zaschita.htm Защита электронных схем.

Фильтры:

https://www.ruselectronic.com/passive-filters/ Пассивные фильтры;
https://www.ruselectronic.com/achh-and-fchh/ Про АЧХ и ФЧХ.

Операционные усилители:

https://cxem.net/beginner/beginner96.php ОУ для начинающих;
http://hardelectronics.ru/lm358.html Примеры одного дешевого ОУ;
http://easyelectronics.ru/operacionnyj-usilitel.html ещё про ОУ
http://zpostbox.ru/kaskadnoye_vklyucheniye_operatsionnykh_usiliteley.html Каскадное подключение ОУ.

ZC детекторы:

https://cxemka.com/62-detektor-perehoda-cherez-nol-s-galvanicheskoi-razvjazkoi-i-bez-neyo.html - пример 1;
https://radio-samodel.ru/detektor%20nulya.html - пример 2;
http://radiopolyus.ru/radiolicbez/39-radiokonstruktoru/257-detektor-perexoda-cherez-nol - ещё пример;

Схемы согласования с 220 В в доках на PLC микросхемы:

https://data.electronshik.ru/z/Datasheet/S/ST7540.pdf ST7540;
http://old.angstrem.ru/netcat_files/229/254/kr1446xk1.pdf КР1446ХК1;
https://www.electronshik.ru/catalog/interfeys-modemy-plc PLC микросхемы с datasheet, там много схем и характеристик.

Подробнее..

Разнообразие аналогово-цифровых преобразователей вырождается?

18.06.2020 21:44:10 |

Автор: admin

Окружающий нас мир с нашей точки зрения является аналоговым, то есть большинство измеряемых нами величин является множеством вещественных чисел в определенном диапазоне значений. В то же время методы обработки таких величин при помощи аналоговых операций оказывается сильно ограничен по функциональности и сложности, а разработанная цифровая обработка сигналов оказывается на много порядков функциональнее, надежнее, компактнее, но оперирует только с цифровыми данными, то есть с данными, дискретными по времени и по мгновенным значениям сигнала. Для преобразования из непрерывного аналогового сигнала в дискретный цифровой используется аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

Первый АЦП

Самым первым упоминанием АЦП в истории является патент США 1 608 527 под названием Facsimile Telegraph System, который был подан 20 июля 1921 года Полом М. Рейни, работником компании Western Electric. Патент был получен спустя 6 лет, 30 ноября 1926 года.

Рисунок 1 Патент Facsimile Telegraph System

Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования (flash ADC, direct-conversion ADC). Принцип действия полностью параллельного АЦП прямого преобразования заключается в том, что все параллельные компараторы с напряжением сравнения меньшим, чем уровень входного сигнала переключаются в 1, а все параллельные компараторы с напряжением сравнения большим, чем уровень входного сигнала остаются в состоянии 0. Шифратор перекодирует полученный двоично кодированный унарный код (Binary Coded Unary, BCU) в код для передачи дальнейшим устройствам.

Типы существующих АЦП

АЦП параллельного (прямого) преобразования (flash ADC, DC ADC).
АЦП последовательного приближения (SAR ADC).
Интегрирующие АЦП (integrating ADC).
Сигма-дельта АЦП (sigma delta ADC, -ADC).

Существуют и другие типы АЦП, например, конвейерные и комбинированные, но они узкоспециализированные и широкого распространения не получили.

АЦП имеет множество характеристик, которые условно можно
разделить на статические:

разрешающая способность;
погрешность полной шкалы;
температурную нестабильность;
нелинейность;

и динамические:

максимальная частота дискретизации;
время преобразования.

Основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (SPS), разрядность в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS, конечно, не одновременно. Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь.
Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.
На рисунке 2 показан график зависимости разрядности различных типов АЦП от частота преобразования.

Рисунок 2 График зависимости разрядности различных типов АЦП от частоты преобразования

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40 MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100 kSPS 1 MSPS. Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до десятков kSPS. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в измерительных приборах.

Сигма-дельта АЦП

На хабре была статья 2011 года, где упоминались разные типы АЦП, но в данной статье смысл совсем другой.
Структура любого сигма-дельта АЦП содержит сигма-дельта модулятор, который преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность нулей и единиц, и цифровой фильтр-дециматор. Эта последовательность нулей и единиц в иностранной литературе называется PDM (pulse density modulation), что принципиально отличает ее от ШИМ (широтно импульсной модуляции).

Рисунок 3 структура сигма-дельта АЦП

Входной сигнал поступает на блок вычитания полученного битового кода, далее на интегратор, компаратор и триггер (элемент задержки по времени), выход триггера последовательность битового кода PDM. Данная последовательность поступает на усредняющий ФНЧ, дециматор, и на выходе получается оцифрованный сигнал высокой разрядности (разрядность повышается внутри фильтра). Надо заметить, что частота следования нулей и единиц в потоке PDM должна быть существенно выше, чем частота построения выходного кода высокой разрядности. В простейшем случае для получения 8-битного АЦП необходимо повышение частоты PDM в 256 раз. Это неудобно и нерационально.
Поэтому сигма-дельта модуляторы собирают последовательно в количестве 2..3..7 штук, возникает эффект модуляции шума, перенос энергии шума на высокие частоты, и как следствие в рабочей низкочастотной области шумов оказывается меньше. Это позволяет получить эффективную разрядность существенно выше, что у PDM первого порядка, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 Формирование спектра шума сигма-дельта модуляторов разного порядка

Таким образом, при повышении частоты дискретизации в 64 раза и использовании сигма-дельта модулятора 4 порядка можно получить разрядность 12 бит вместо 6. При повышении порядка до 7 и той же частоте дискретизации разрядность можно поднять уже до 16. Таким образом, оказывается возможным создавать сигма-дельта АЦП не только до единиц-десятков kSPS, но и существенно больше. Например, если производить цифровую фильтрацию PDM в ПЛИС Xilinx на частоте 400 МГц (что вполне реализуемо с использованием аппаратных умножителей и дифференциальных входов), коэффициенте передискретизации 64 можно получить 16-битный АЦП на частоте 6.250 MSPS. При меньшей разрядности можно увеличить частоту дискретизации. Данный тип АЦП можно использовать для синхронной обработки большого числа АЦП, особенно если всю цифровую обработку всех потоков PDM поместить внутри одной ПЛИС.
Классический рисунок областей применения различных АЦП можно изменить так:

Рисунок 5 Современное состояние различных типов АЦП

Сигма-дельта АЦП могут заменить собой практически все другие типы АЦП кроме наиболее быстродействующих параллельных. И по большинству параметров окажутся лучше старых аналогов других типов.

Подробнее..

Категории: Разработка систем связи , Производство и разработка электроники , Схемотехника , Разработка робототехники , Adc , Ацп , Sigma-delta modulator , Comb filter

Скоростной АЦП с нуля. 16 бит за 10 лет

01.12.2020 12:23:05 |

Автор: admin

Чего стоит разработать быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, почти не имея опыта? Насколько сильно наше отставание в этой области? Есть ли в этой нише шанс найти коммерческое применение своей продукции и отщипнуть хоть кусочек рынка у гигантов мира сего? Выпуская в свет новый 16-битный 80 МГц АЦП, хотим порассуждать на эти темы и рассказать о самой микросхеме и опыте её создания.

Введение

2010 год. Тогда многие этим увлекались. Тема быстрых АЦП вдруг стала популярной. Кто-то раньше, кто-то позже, но сразу несколько российских компаний принялись вести разработки в этой области. Не стали исключением и мы. Словно нужно было дождаться, когда рассеется дым горящих вокруг Москвы торфяников, чтобы увидеть, что ниша отечественных скоростных аналого-цифровых преобразователей совершенно пуста. Отставание было гигантским, в несколько поколений. Из наших тогда можно было достать только старые добрые микросхемы серии 1108ПВ 10-14 разрядные АЦП с быстродействием 0,3-1,3 МГц, разработанные еще в советской Риге. Самым крутым считался вильнюсский биполярный 1107ПВ3, тоже родом из 80-х, который имел разрядность 6 бит и мог работать со скоростями до 100 МГц. В это же время западные микросхемы на таких скоростях достигали уже 16 бит! А при меньшей разрядности могли работать на нескольких сотнях мегагерц.

Столь привлекательным казалось попытаться наверстать отставание и заполнить этот вакуум отечественного сегмента АЦП. Было очевидно: кто первый создаст что-то более-менее современное, у того будет шанс монополизировать в дальнейшем весь сегмент. Ввязавшись в гонку тогда, мы смутно догадывались, что путь предстоит неблизкий, но никто не предполагал, что первый верстовой столб на нём будет стоять на отметке в 10 лет

Смог в Зеленограде 2010 г. Фото с сайта Graker.ru

Что за зверь?

Здесь мы на секунду прервёмся, чтобы сказать несколько общих слов об аналого-цифровых преобразователях вообще и о быстродействующих в частности.

Наверное, каждый человек, сам того не подозревая, ежедневно имеет дело с АЦП. Электроника окружает нас повсюду, и, если речь идёт о современном устройстве хоть чуточку сложнее штепсельной вилки, в нём наверняка трудится этот девайс. А уж такая привычная нам техника, как смартфоны, видеокамеры, аудиопроигрыватели, игровые станции, и пр. буквально напичканы ими. Аналого-цифровые преобразователи в их составе выполняют разную работу и имеют присущую этой работе архитектуру: это может быть SAR, Delta-sigma, Pipeline, Folded-interpolated, Flash, Dual-slope и т.д. Такое разнообразие видов обусловлено тем, что не существует оптимальной архитектуры для всех типов приложений. С точки зрения исполнения АЦП могут быть встроены в системы-на-кристалле или реализованы в виде отдельных микросхем.

В системах радиосвязи, радиолокации, телекоммуникации зачастую используются быстродействующие АЦП. Быстродействующими считаются преобразователи с частотой выборки более 10 Мвыб/c. Как правило, они имеют архитектуру Flash, Folded-Interpolated или pipeline, хотя в последнее время стали появляться и быстрые SAR.
У любого АЦП довольно много различных параметров. Для высокоскоростных преобразователей ввиду специфики их применения особенно важны динамические SFDR, SNR, IMD. Подробнее об этих и других параметрах можно прочитать здесь.

Первые шаги

Вернемся обратно в 2010 год. Какими наивными мы были! Сейчас уже невозможно сдержать улыбку, просматривая отчёты и презентации, что мы делали тогда. Только с аспирантской скамьи, мы строили честолюбивые планы, как через пару-тройку лет сделаем преобразователь, не менее быстрый и не менее точный, чем у них Ведь опыт разработки быстродействующих АЦП уже был. В нашем портфолио лежал аж 14-битный 100 МГц преобразователь! (Не миландровский.) Правда работал он так:

Вид кристалла и спектр после первой попытки

На выходе этого преобразователя вместо синусоиды был изрезанный резкими провалами меандр. Представляете, два года работы и такое фиаско! SNR 17 дБ вместо расчётных 68. Тем не менее никто не унывал, потому что такие провалы не редки в микроэлектронике. Такова уж специфика, что за каждой схемой, как бы хорошо она не работала на модели, скрывается вопрос а в железе будет работать? Ответить на этот вопрос, и то не наверняка, можно только с опытом.
Итак, мы перевернули страницу и принялись заново разрабатывать 14-разрядный 100 МГц АЦП. Вскоре параллельно с нами начала работать другая, более опытная команда, перешедшая к нам со своими разработками из другой компании. Мы недоумевали тогда, зачем двум командам решать, пусть и разными способами, но одну и ту же задачу? Зачем эта внутренняя конкуренция? Оказывается этим, сами того не подозревая, мы копировали в миниатюре великих мира сего

А как там у них?

Нам было любопытно, как развивалось направление быстрых АЦП у лидеров сегмента. Для примера мы взяли компанию Analog Devices, которая еще в 2010 году удерживала 48% рынка преобразователей, что больше, чем доля 8 последующих конкурентов вместе взятая. Проанализировав и сопоставив официальные даташиты и научные публикации, мы составили следующий таймлайн:

В таблице приведены примерный год выхода и технология выдающихся для своего времени АЦП, а также подразделение компании, занимавшееся разработкой. (У нас нет инсайда, поэтому эти данные отражают лишь наше виденье.)

Не разбирая всех причин такого успеха компании, отметим лишь две наиболее важные для нас, инженеров. Во-первых, это полувековое эволюционное развитие, позволившее накопить внушительный коллективный опыт. Во-вторых, большие финансовые и ресурсные вложения, свидетельствующие о приоритетности этого направления в компании. Над быстродействующими АЦП одновременно работают два подразделения, в Вилмингтоне и Гринсборо (США), причем в разработке каждой микросхемы может быть задействовано до нескольких десятков инженеров. Основной костяк каждой группы это инженеры, которые много лет занимаются исключительно этой тематикой. Иногда у обеих команд получались близкие по характеристикам преобразователи, хоть и шли они каждый своим путём. Зачастую и в этом случае обе микросхемы выводились на рынок. Супербыстрые преобразователи последнего поколения оказались неподъёмными для какого-то одного подразделения, поэтому обе команды вынуждены были объединить усилия.

Долгая дорога в дебрях

Отметка мы здесь на таймлайне вверху демонстрирует, что в области быстродействующих АЦП наше отставание от передовых разработок на сегодня составляет около 10 лет. И это после десятилетней работы! Наверняка кому-нибудь понадобилось бы меньше времени, но именно столько мы потратили, чтобы пробраться сквозь дебри разработки и получить результат, за который не стыдно.

В первое время недостаток опыта и схемотехнических навыков приводил к неоптимальным или даже ошибочным решениям. Учесть все нюансы и найти лучшее решение было затруднительно не только ввиду сложности системы, но и потому, что симуляторы того времени просто не позволяли промоделировать весь АЦП целиком.

Очень скоро выяснилось, что при таких скоростях на параметры влияет не только качество схемотехники самой микросхемы, но и того, что её окружает корпуса и печатной платы. Нужно было учиться разрабатывать платы для таких приложений: ведь сначала не получалось даже повторить демо-плату ADI так, чтобы параметры их же АЦП соответствовали даташиту. Индуктивности использовавшегося корпуса тоже пагубно отражались на характеристиках, поэтому пришлось разработать новый корпус с так называемым донным контактом (exposed pad), чтобы увеличить количество выводов земли.

Качество измерений при производстве ещё один фактор, ограничивающий достигаемые характеристики. При функциональном контроле используется своя оснастка из печатной платы и контактирующего устройства (коробочка, куда вставляется микросхема и прижимается к плате). Предназначенная для больших промышленных тестеров, эта оснастка громоздкая, а значит привносит дополнительные паразиты и губит параметры. К примеру, даже у последнего АЦП мы вынуждены ограничивать скорость и диапазон напряжения питания из-за того, что просто не можем подтвердить в условиях цеха параметры, достигаемые этой же микросхемой, но распаянной на компактной плате. Нечего и говорить о том, что достичь высоких характеристик невозможно без современного измерительного оборудования в первую очередь дорогих генераторов с низким уровнем шума и джиттера, а также высококачественных полосовых фильтров высокого порядка, чтобы отфильтровывать гармоники этих генераторов.

Таймлайн тестовых образцов в ходе разработки микросхемы

За время, что мы работали над этой микросхемой, было сделано 5 запусков. Будучи fabless компанией, каждый запуск обходился нам в копеечку, которую, к тому же, приходилось доставать из своего кармана (из кармана компании, а не из брюк инженеров), так как этот проект не связан с ОКР-ами и финансируется из собственных средств. Помимо цены есть ещё один минус для мелких fabless компаний. Ожидание кристаллов после запуска иногда затягивается до полугода, чем напрочь выбивает из рабочего ритма.
В 2014 году мы готовы были выводить имеющуюся разработку в свет, руководствуясь принципом на безрыбье и рак рыба. Микросхема была откровенно сырая, плохо калибровалась, поэтому хорошо, что к этому моменту вторая наша команда АЦП-шников сделала более хорошую микросхему её и стали производить под именем 5101HB015. Чтобы попробовать превзойти этот АЦП, нам пришлось перейти на новую архитектуру и даже другую фабрику.

И вот, наконец, новая микросхема увидит свет!

Коммерческий рынок. Почему высокоскоростные АЦП?

Прежде, чем говорить о получившейся микросхеме, поделимся своими соображениями относительно её возможных перспектив. Коммерческий рынок быстродействующих АЦП довольно специфичен и на нём, как бы это дерзко не звучало, можно попытаться сыграть.

A. Выход на мировой рынок
Наверняка, многие знают: чтобы сделать коммерчески выгодный продукт в микроэлектронике, необходим крупный рынок сбыта. Это связано с окупаемостью R&D, измерительного оборудования, запуска тестовых кристаллов и т.д. Влияет на цену микросхемы и тот факт, что фабрика даёт скидку на пластины при больших объёмах производства. В суровых реалиях российского приборостроения сложно сделать схему, которая бы обеспечила высокий спрос. Тем более, когда существуют такие гиганты как ST, TI, ADI, ну и китайские аналоги любых микросхем, которые можно купить за 3 копейки.

Один из способов решения проблемы искать высокомаржинальные направления, которые не требуют серьезных вложений в создание программной инфраструктуры. Скажем, FPGA, процессоры и другие цифровые решения помимо собственно выпуска микросхемы требуют создания среды разработки. На то, чтобы сделать её качественной и удобной для пользователя, может уйти гораздо больше времени и денег, чем на сам чип.

С высокоскоростными преобразователями всё иначе. На рынке существуют 3 основные компании, которые развивают направление высокоскоростных АЦП: TI, ADI и Maxim Integrated (последние две объявили о слиянии). Поэтому данный рынок сильно монополизирован. Цены на преобразователи с частотой дискретизации 80 Мвыб/c находятся в районе 80 долларов, что подразумевает серьезную наценку. На habr есть статья, в которой хорошо освещена проблема монополии в микроэлектронике.

Б. Ограничение поставки в Россию и Китай
С каждым годом вступают все более жесткие ограничения на поставки ЭКБ в Россию и Китай. Высокоскоростные точные преобразователи попадают в категорию ограничений. Даже потребители из европейских стран при заказе таких микросхем должны заполнять документацию, связанную с экспортным контролем продукции двойного назначения. Этот аспект тормозит развитие коммерческих устройств, которые могли бы достичь лучших параметров.

Фото с сайтов Mouser, Arrow

В. Улучшение качества собственных продуктов РЭА
На данный момент у нас разрабатывается система ADAS для помощи водителю. Для обработки данных с радара может использоваться новый АЦП, что позволит существенно поднять точностные параметры системы, а также уменьшить стоимость аппаратуры.

Обобщив все эти пункты, мы решили создать коммерческий вариант микросхемы (называться будет MDRA1A16FI), цена которой будет ниже, чем у зарубежных аналогов. Образцы в металлокерамическом корпусе можем предоставить всем заинтересованным уже сейчас, а в пластиковом корпусе QFN-48 в начале 2021 года. Кому интересно, здесь можно оставить заявку на получение образцов. Пластиковый корпус существенно меньше металлокерамического всего 7x7x0.85 мм против 11x11x2 мм, и, следовательно, легче и дешевле.

Что в итоге получилось

Теперь, наконец, о самой микросхеме что в итоге получилось. Микросхема, получившая название 5101HB045, представляет собой 16-разрядный АЦП с частотой дискретизации 80 Мвыб/c. Её характеристики следующие:

Разрядность, бит	$inline$	16
Напряжение питания, В	$V_{dd}$	1.8
Полная шкала, В (п-п)	$V_{FS}$	2
Частота преобразования, МГц	$f_{s}$	80
Соотношение сигнал/шум, dBFS (при $f_{IN}$ =10/75МГц)	$inline$	75.0 / 73.1
Динамический диапазон, свободный от гармоник, dBc (при $f_{IN}$ =10/75МГц)	$inline$	94 / 83
Интермодуляционные искажения 3-го порядка, dBc (при $f_{IN}$ ~10/75МГц)	$inline$	-92 / -80
Интермодуляционные искажения 2-го порядка, dBc (при $f_{IN}$ ~10/75МГц)	$inline$	-105 / -83
Интегральная нелинейность, LSB	$inline$	2.7
Дифференциальная нелинейность, LSB	$inline$	0.75
Джиттер, пс	$T_{j}$	0.30
Full Power Bandwidth, МГц	$inline$	688
Рассеиваемая мощность (полная, в КМОП режиме), Вт	$P_{sup}$	0.56

Спектр, интегральная и дифференциальная нелинейность

Структурная схема преобразователя:

Микросхема представляет собой одноканальный АЦП конвейерного типа с разрядностью 16 бит. Процесс преобразования происходит в несколько этапов:

Входной аналоговый дифференциальный сигнал подаётся через выводы VINP/VINN на входное устройство выборки-хранения (УВХ).
Сигнал выборки, сохраненный на емкости УВХ, обрабатывается ядром 16-битного АЦП.
Система цифровой постобработки получает цифровой эквивалент обрабатываемой выборки, осуществляет цифровую коррекцию и кодировку в нужный формат (двоичный код со смещением, дополнительный код, код Грея).
Итоговый результат выдается на параллельную шину по LVDS или CMOS интерфейсу.

Схемотехническая реализация этого алгоритма с требуемой точностью потребовала значительной площади на кристалле. Поэтому, выполненный по стандартной 0,18 мкм КМОП технологии, чип получился не маленький:

Микросхема обладает множеством режимов работы, которые можно конфигурировать с помощью SPI интерфейса. Все подробности в спеке. Кстати, мы наконец-то сделали спецификацию по западному стандарту (правда англоязычную) без всяких запутанных ТУ-шных таблиц.

Стало лучше?

Во многом, да, если сравнивать с тем же 5101НВ015:

Здесь нет интерливинга. Это означает, что в выходном спектре данного АЦП не будут присутствовать искажения, характерные для преобразователей с интерливингом, что является существенным плюсом при построении, например, SDR систем.
Проще пользоваться. Не нужно тратить время на калибровку при запуске или перенастройке микросхемы. Все калибровочные коэффициенты уже записаны во внутреннюю память при производстве.
Расширенный список доступных интерфейсов вывода данных: LVDS/DDR (с двойной скоростью) и параллельный КМОП 1,8 / 2,5 / 3,3 В.
Улучшенные динамические показатели SNR [69.5 -> 75] и SFDR [81->94]
Хорошая статическая линейность: INL 3 (14 бит) -> 2,5 (16 бит), т.е. более, чем в 4 раза лучше.
Можно подключить внешний источник опорного напряжения 1,25 В и поднять SNR до 76,7 дБ.
Улучшенный софт для отладочного комплекта.

Что не лучше так это скорость преобразования (80 вместо 125 МГц) и потребление (560 против 115 мВт).

Отладочный комплект и софт

Для того, чтобы попробовать этот АЦП в действии, и при этом не заниматься проектированием печатной платы, мы разработали специальный отладочный комплект. В него входят две платы аналоговая (собственно АЦП и обвязка) и цифровая (сбор выходных данных). Обе платы соединяются разъемами и питаются от одного стандартного 5 В блока питания.

Используя этот отладочный комплект, можно легко и быстро проверять свои решения при разработке аппаратуры. Достаточно подключить к разъёму входной сигнал, всё остальное сделает комплект. На плате присутствует источник тактового сигнала и даже источник внешнего опорного напряжения, чтобы проверить, как работает система при опоре 1,25 В. При желании можно подать свой собственный тактовый сигнал через соответствующий разъем.
Самостоятельно собирать и обрабатывать выходные отсчёты с АЦП тоже не нужно. Мы написали новый софт быстрый и автономный. Предыдущая версия требовала, к примеру, предустанавливать matlab-библиотеки, что достаточно неудобно. Программа умеет конфигурировать АЦП, снимать и выгружать с него данные, строить спектр и вычислять по нему характеристики. Данное ПО поставляется в составе отладочного комплекта. Так же, его можно скачать здесь. Кому интересны комплекты, вот ссылка.

Скриншоты отладочного ПО

Работа над ошибками

Да, мы сделали большой рывок, но часть характеристик всё еще не дотягивает до параметров импортных микросхем. Сравним основные характеристики существующих 16 разрядных АЦП с частотой дискретизации 80 Мвыб/c.

Сравнение параметров

	5101НВ045	AD9265	ADS5481	ADS5562	MAX19586	AD9266	LTC2163
Производитель	МИЛАНДР	ADI	TI	TI	Maxim	ADI	Linear T. (ADI)
Разрядность, бит	16	16	16	16	16	16	16
Скорость, Мвыб/c	80	80	80	80	80	80	80
Интерливинг	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет
Входной буфер	нет	нет	да	нет	да	нет	нет
Один источник питания	да (1.8В)	да (1.8В)	нет (5; 3В)	да (3.3В)	нет (1.8; 3.3В)	да (1.8В)	да (1.8В)
Дизеринг	нет	да	да	нет	нет	нет	нет
Делитель тактовой частоты	да	да	нет	нет	нет	да	нет
Входной размах	2 В(п-п)	2 В(п-п)	3 В(п-п)	3.56 В(п-п)	2.56 В(п-п)	2 В(п-п)	2 В(п-п)
SFDR @ 10 MHz	тип 94 (>88)	тип 88	тип 98	тип 85 (>75)	тип 96	тип 94	тип 90
SFDR @ 70 MHz	тип 83 (>72)	(>92)	тип 93	н/д	тип 84 (>80)	тип 93	тип 89 (>82)
SNR @ 10 MHz	тип 75 (>74)	тип 80	тип 81	тип 83.8 (>79)	тип 80	тип 77.6	тип 77.1
SNR @ 70 MHz	тип 73.1 (>71)	(> 78.7)	тип 80.1	н/д	тип 79.2 (>77.5)	тип 76.6	тип 76.9 (>75.3)
Потребляемая мощность, Вт	0.563	0.308	2.15	0.865	1.11	0.124	0.188
Совместимость одновременно с 1,8/2,5/3,3 В ПЛИС	да	нет	нет	нет	нет	да	нет

Недостатком нашей микросхемы является деградация линейности и ухудшение шума при работе в т.н. undersampling режиме (информацию об этом добавили в предыдущую публикацию), т.е. когда полоса входного сигнала находится во второй и выше зоне Найквиста. Это требуется, например, в приложениях с непосредственной дискретизацией ПЧ. Эта деградация происходит из-за относительно высокого собственного джиттера и нелинейности входного УВХ, которая начинает проявляться примерно с 60 МГц.

Зависимость динамических характеристик от частоты входного сигнала

Если, однако, вы обрабатываете сигналы с частотой до 60-70 МГц, то по динамическим параметрам 5101HB045 смотрится в этой таблице, на наш взгляд, вполне достойно.

Что будет дальше?

Поделимся планами по развитию наших высокоскоростных АЦП. Мы полны решимости сделать еще один цикл (надеемся, он пройдёт быстрее, чем за 10 лет) и дотянуть характеристики нашей микросхемы до уровня аналогов. Если конкретно, то:

поднять SNR до 78 дБ, частоту дискретизации до 125 Мвыб/с.
Уменьшить собственный джиттер, увеличить линейность УВХ, и улучшить таким образом SFDR и SNR на высоких частотах входного сигнала.
Добавить дизеринг для работы с маленькими сигналами (более подробно можно узнать об этом в статье на habr).

Приоритетом для себя мы определили высокую линейность и низкий шум.

Вторая наша группа разработчиков приоритетом для себя видит высокую скорость преобразования. В её планах:

В течение 2021 года вывести на рынок АЦП скоростью до 400 Мвыб/с в двух версиях: со встроенным входным буфером и без. Данный АЦП будет также работать в двухканальном режиме с частотой выборки до 200 Мвыб/с каждый.
Этот же АЦП в двухканальном режиме оснастить последовательным выходным интерфейсом Serial LVDS. У схемы с таким интерфейсом существенно меньше выводов. Значит трассировка платы, снятие и обработка данных сильно упрощается. Это заметное преимущество, особенно для многоканальных АЦП.

Уже был запуск тестовых образцов, они показали хорошие параметры, однако потребовали доработки, которая сейчас активно проводится.

Заключение

Итак, за 10 лет мы существенно продвинулись, но впереди ещё много работы. Тяжело догонять столь быстро и давно развивающиеся компании, особенно когда в R&D схем вкладывают большие ресурсы. Как уже упоминалось, направление скоростных АЦП у нас финансируется за счет собственных средств, и они, увы, сильно ограничены. Но все мы видим большое будущее в этом направлении. Будем действовать, руководствуясь нашим негласным девизом: Таких гигантов как ADI в АЦП-строении нам не переплюнуть, но как следует плюнуть в этом направлении уже хорошо.

Подробнее..

Категории: Производство и разработка электроники , Fpga , Схемотехника , Локализация продуктов , Ацп , История разработки , Микроэлектроника , Блог компании миландр , Миландр

E2V Впереди планеты всей. АЦПЦАП гигагерцового диапазона

12.03.2021 18:21:40 |

Автор: admin

Развитие электроники идет по нескольким направлениям. Одно из них - увеличение рабочих частот. И если лет 10-15 назад АЦП/ЦАП можно было встретить лишь в трактах ПЧ, то сейчас возможно производить прямую оцифровку СВЧ сигналов до 4 ГГц, а их прямой синтез - до 24 ГГц. Одним из бесспорных лидеров рынка в этом сегменте является подразделение компании Teledyne E2V, которая успешно конкурирует с аналогичными продуктами компаний Analog Devices и Texas Instruments.

Подразделение Teledyne E2V производящее АЦП/ЦАП располагается в Grenoble, France. Как известно, для поставки высокотехнологичных микросхем как правило нужна лицензия. АЦП/ЦАП тут не исключение, хотя некоторые 8-ми / 10-ти битные модели поставляются и без нее. В любом случае, получить европейскую лицензию обычно существенно легче, нежели американскую.

Рассмотрим же ряд иноваций и применений для продуктов этой компании.

1. Одно ядро - значит одно ядро !

Одним из способов увеличения скорости работы АЦП является чередование каналов (interleaving). Но, все в этой жизни имеет свою цену. Обычно это приводит к возникновению паразитных составляющих в спектре. Поэтому некоторые недобросовестные производители об этом умалчивают. Но это не Teledyne E2V !

Рис. 1 Паразитные составляющие при чередовании каналов

В ряде приложений это может не иметь большого значения. Но, например в радарных применениях эти паразитные составляющие обычно видны как мнимые цели, что критично.

Рис. 2 Мнимые цели

2. Интерфейс ESIstream

Его выгоды по сравнению с распространенным стандартом JESD204 показаны в таблице ниже.

Таблица 1 Сравнение ESIstrem и JESD204

	ESIstream	JESD204
Эффективность	Заголовки 12.5%	Заголовки 25%
Упрощенная реализация	Спецификация 10 страниц	Спецификация 160 страниц
Требуется логических элементов	1000	8000
Меньше задержка	40 нс на весь линк	Зависит от LMFC синхронизации. Может меняться при каждом включении питания
Синхронизация	медленная PRBS	нужен внешний SYNC
Исходный код	Доступен на esistream.com	В ряде случаев является интеллектуальной собственностью

3. Последовательная синхронизация

Для работы скоростного АЦП обычно требуется два синхронных сигнала: тактовый, который нужен для работы ядра, и сигнал синхронизации, который нужен для УВХ. Одно это требует тщательного проектирования печатной платы (ПП) с учетом возникающих на ней задержек распространения.

Представьте, насколько все усложняется в многоканальной системе, когда необходимо оцифровать синхронно несколько сигналов. Например в антенной фазовой решетке. Для этого случая комания Teledyne E2V вместо параллельных сигналов синхронизации использует специальную кодовую последовательность, которая передается последовательно от АЦП к АЦП и обеспечивает их синхронизацию, независимо от топологии ПП.

Рис. 3 Последовательная синхронизация

4. Сколько бит выбрать, или коварный ENOB

ENOB -> (Effecive Number of Bits), или эффективное число бит, важный параметр АЦП, особенно на больших скоростях. Казалось бы, понятно что 12 лучше чем 10, а 10 чем 8. Но это не всегда так, особенно если сравнивать скоростные АЦП разных производителей. На рисунке ниже проведено сравнение ENOB от частоты для EV12AD550 (12 бит) и ADC12D1600 (12 бит). Условия сравнения строго говоря неизвестны, но, вполне возможна ситуация, когда ENOB у 12-ти битного АЦП будет как 10-ти битного или близко к нему. Что, вообще говоря, может быть обидно - стоят то они по разному.

Рис. 4 ENOB в зависимости от частоты

5. О зонах Найквиста замолвите слово

У дискретных систем есть интересное свойство, а именно стробоскопический эффект, когда быстро меняющийся сигнал воспринимается как медленный. Все видели медленно вращающиеся блики на колесах автомобиля, или же почти застывшие лопасти вертолета на видеозаписи. Все дело в наложении частот, когда объект вращается почти кратно к частоте кадра.

В случае с ЦАП, выходной сигнал можно сформировать таким образом, что он будет содержать гармоники порядка N. Лишь бы полоса выходного усилителя ЦАП позволяла, да стоял бы затем соответствующий фильтр. Понятно, что они будут меньше по амплитуде, но в ряде случаев ее вполне достаточно для прямого синеза СВЧ сигналов. Аж до 8-й зоны Найквиста, как говорит нам компания Teledyne E2V. Дело в том, что выход ЦАП может работать в 4-х различных режимах: NRZ, когда выходное напряжение меняется только в момент смены состояния; RTZ, когда генерируется однополярный короткий импульс заданной амплитуды; NRTZ- по сути рзновидность предыдущего и RF, когда генерируется пара коротких разнополярных импульсов заданной ЦАП амплитуды. При этом зоны Найквиста, как мы видим, распределяются по разному.

Рис. 5 Зоны Найквиста

Ниже приведен спектр сигнала около 12 ГГц, полученный данным способом. Его SFDR около 50 дБн - вполне достаточно для многих применений.

Рис. 6 Сигнал 12 ГГц

Аналогичный подход можно использовать и при приеме, для синусоидальных или же повторяющихся импульсных сигналов, даже при больших значениях N.

6. Прямое преобразование вниз

Пример такого преобразования из 2-й зоны Найквиста показан на рисунке ниже.

Рис. 7 Прямое преобразование вниз для L-диапазона

7. Отладки

Пока еще гигагерцовые АЦП/ЦАП удовольствие не дешевое. Помимо сложной обвязки, как правило их использование подразумевает совместную работу с высокопроизводительными цифровыми системами SOC/FPGA. Например, такими как Altera, Xilinx или Lattice.

Для облегчения жизни разработчикам, и получения быстрого результата Teledyne E2V предлагает уже готовые демо-киты. Выглядят они, прямо скажем, несколько фантастично. Стоят наверно тоже. Хотя по любому видимо это будет дешевле, нежели сваять самому.

Рис. 8 Демо-кит FPGA Board EV12AD600

За сим желаю всем доброго здравия, и успешного применения гигагерцовых АЦП/ЦАП в своих проектах.

Подробнее..

Категории: Производство и разработка электроники , Data engineering , Ацп , Электроника для начинающих , Цап , Uwb , Jesd204 , Esistream , Direct conversion , Rf adc , Rf dac , High speed

	Русский
	English

Ацп

Раскладываем по полочкам параметры АЦП

Введение

Статические параметры

Динамические параметры

Сравним архитектуры

Заключение

Power-line communication. Часть 1 Основы передачи данных по линиям электропередач

Коммуникация

Проводник

Полезный сигнал

Шум

Протокол

Линии электропередач как канал связи

Проводник

Синхронизация

Полезный сигнал

Шум

Протокол

Формат кадра

Итог

Power-line communication. Часть 2 Основные блоки устройства

Введение

Мозги устройства микроконтроллер

Основные требования к микроконтроллеру

Производительность

Энергоэффективность

Должен быть достаточно быстрый АЦП

Должен быть достаточно быстрый ЦАП

Если нет АЦП

Если нет ЦАП

Выбор подходящего микроконтроллера

Производительность?

Энергоэффективность?

Достаточно быстрый АЦП?

Достаточно быстрый ЦАП?

Периферия

Особенности питания устройства

Стабильное питание микроконтроллера

Совет 1 - Разделить землю на аналоговую и цифровую

Совет 2 - Не забыть про керамику

Совет 3 - Экранировать цифровые компоненты

Заключение

Полезные ссылки

Power-line communication. Часть 3 Основные блоки устройства

Zero cross детектор

Схема согласования сигнальных цепей с линией 220 В

Входная цепь измерение полезного сигнала

Фильтрация

Усиление

Выходная цепь генерация полезного сигнала

Итого

Полезные ссылки

Разнообразие аналогово-цифровых преобразователей вырождается?

Первый АЦП

Типы существующих АЦП

Сигма-дельта АЦП

Скоростной АЦП с нуля. 16 бит за 10 лет

Введение

Что за зверь?

Первые шаги

А как там у них?

Долгая дорога в дебрях

Коммерческий рынок. Почему высокоскоростные АЦП?

Что в итоге получилось

Стало лучше?

Отладочный комплект и софт

Работа над ошибками

Что будет дальше?

Заключение

E2V Впереди планеты всей. АЦПЦАП гигагерцового диапазона

Категории

Последние комментарии