سلام توی این مطلب میخایم کمک کنیم به انتخاب افرادی که قصد دارند برد داده برداری یا Data acquisition بخرند. خب مهمترین قسمت در خرید برد داده برداری ADC ها هستند که میخایم به بررسی خصوصیت اونها بپردازیم.
ADC : Analog to Digital Converters
ADC عمل تبدیل داده آنالوگ به دیجیتال را انجام میدهد و DAC برعکس کار ADC رو انجام میده یعنی تبدیل داده های دیجیتال به آنالوگ.
جهت کمک به خرید یک برد داده برداری که مناسب داده پردازی باشد باید خصوصیات ADC رو مورد بررسی قرار دهیم.
اصطلاحاً نسبت سیگنال به نویز است و به این صورت تعریف میشود که، نسبت توان سیگنال به توان نویز در آن سیگنال اندازه گیری شده.
به بیان بهتر زمانی که از یک سیگنال به عنوان مثال صوتی نمونه برداری میکنیم اگر SNR ، 100 دسیبل باشد به این معناست که نسبت سطح سیگنال صوتی به سطح سیگنال نویز 100 برابر بیشتر است و این سیستم از یک سیستم دیگر که SNR 90 دارد بهتر خواهد بود، پس هرچه میزان SNR بیشتر باشد، به دقت بیشتری دست پیدا خواهیم کرد و یا هرچه به دقت بالاتری نیاز باشد باید به سمت ADC با SNR بالاتر رفت.
یکی از نکاتی که در خرید برد داده برداری باید به آن دقت کرد میزان SFDR است که به اختلاف بالاترین توان قابل اندازه گیری در ADC از بالاترین سطح نویز SFDR گفته میشود، که مشخصا هرچه به دقت بالاتری نیاز داشته باشیم باید مقدار بیشتری باشد.
این مقدار به عنوان مثال میتواند 80 دسیبل باشد. البته در مواردی به این صورت تعریف میشود که به اختلاف بالاترین توان سیگنال اندازه گیری شده در ADC از بالاترین سطح نویز SFDR گفته می شود.
?
این پارامتر مخففی از Integral Non-Linearity است که میزان غیر خطی بودن ADC را نشان میدهد، غیر خطی بودن در واقع اختلافی بین مقدار واقعی و اندازه گیری شده است که نمونه آن را در تصویر مشاهده میکنید.
?
این ویژگی مخفف Differential Non-linearity است و میتوان آن را میزان رُند شدن ولتاژ ورودی جهت تبدیل به مقدار دیجیتال تفسیر کرد، در تصویر مقادیر DNL مشخص شده است که هرچه مقدار کمتری باشد ADC از دقت بالاتری برخوردار است. باید به این نکته توجه کرد که DNL با رزولوشن رابطه عکس دارد.
?
میزان توان مصرفی یکی دیگر از خصوصیاتی است که باید به آن توجه کرد، این خصوصیت مخصوصا در ADC هایی که سرعت بالایی دارند بیشتر مورد اهیمت قرار میگیرد چرا که توان بالاتری نیز مصرف میکنند.
این مشخصه که مخفف Full scale range است به معنای محدوده ی اندازه گیری ولتاژ است که باید قبل از خرید برد و یا ADC مربوطه به آن توجه کرد. در تصویر خط قرمز رنگ سیگنالی است که به دلیل عدم انتخاب درست ADC قسمت هایی از آن بریده شده است.
توجه کنید که بهترین حالت این است که FSR اندکی (به عنوان مثال 5%) از بیشترین رنج ولتاژ ورودی شما بزرگتر باشد تا بتوان از همه ی دقت ADC در اندازه گیری استفاده کرد.
?
اصطلاحا به عرض بیت ADC رزولوشن نیز گفته میشود که هرچه بیشتر باشد، در نهایت دقت بیشتری در اندازه گیری خواهیم داشت. معمولا این خصوصیت در ADC ها از 10 تا 24 بیت است که بسته به نوع اندازه گیری میتوان بهترین رزولوشن را در خرید برد داده برداری انتخاب کرد.
به این نکته باید توجه کرد که قیمت ADC با ضرب رزولوشن در سرعت سمپل برداری، رابطه مستقیم دارد.
بیت ریت در واقع سرعت ADC را مشخص میکند. یک رابطه مشهور به نام رابطه نایکوئیست وجود دارد که جهت بازسازی یک سیگنال آنالوگ، میزان داده برداری از آن سیگنال حداقل باید دوبرابر بالاترین فرکانس موجود در آن سیگنال آنالوگ باشد.
معنای متفاوت این قانون به این شکل هست که جهت جلوگیری از پدیده ی Aliasing باید فرکانس های بالاتر از نصف سرعت اندازه گیری ADC را فیلتر کنیم. این فیلتر در بعضی از ADC ها وجود دارد اما در بعضی دیگر باید به صورت دیجیتال یا آنالوگ فیلتر شوند.
این خصوصیت مخفف effective number of bits است که به معنای تعداد بیت های موثر است.در بیت های اندازه گیری شده ADC بیت های کم ارزشی وجود دارند که به طور کلی همیشه نویز هستند که معمولا در بهترین حالت یک بیت همیشه خطا خواهد بود.
پس در واقع ENOB به تعداد بیت هایی اشاره دارد که بیانگر سیگنال باشند( نویز نباشند). البته این مقدار به صورت اعشاری بیان میشود نه صحیح به عنوان مثال در یک ADC با عرض بیت 12، ENOB میتواند 10.3 باشد.
به زبان ساده پهنای باند به معنای محدوده ی فرکانس هایی هست که ADC اندازه گیری میکند، بقیه فرکانس هایی که توان اندازه گیری شده از آنها کمتر از یک دوم بالاترین توان اندازه گیری شده باشد جز این محدوده به حساب نخواهند آمد.
Interface در واقع به این معناست که ADC با چه پروتوکلی داده های دیجیتال اندازه گیری شده را ارائه میدهد که معمولا ADC ها از اینترفیس SPI جهت ارسال داده ها استفاده میکنند.
به این نکته در خرید برد داده برداری توجه بفرمایید که برخی بردها این مزیت را به شما ارائه میدهند که خواندن سیگنال از ADC را به صورت رایگان به شما ارائه میدهند.
طبق قانون نایکوئیست گفتیم که باید فرکانس های پایین تر از نصف سرعت سمپل برداری فیلتر شوند که بعضی از برد ها این قابلیت را ارائه میکنند که به صورت آنالوگ و یا دیجیتال فرکانس های بالا را فیلتر کنند.
در خرید برد داده برداری حتما به این مشخصه توجه کنید چرا که کوپلاژ AC بیشتر اوقات به معنای قرار دهی یک فیلتر خازنی در مسیر سیگنال و حذف کردن مقدار DC سیگنال است.
این مورد برای زمانی مناسب خواهد بود که اندازه گیری تغییرات سیگنال مد نظر است و تغییرات سیگنال در میزان DC سیگنال گم میشود و دقت نکردن به این موضوع میتواند دقت اندازه گیری را کاهش دهد. اما زمانی که میزان بایاس و یا DC سیگنال مد نظر باشد باید به وجود DC-coupler دقت کرد، در واقع در این حالت قسمت DC و AC سیگنال هر دو اندازه گیری خواهند شد.
نکته دیگری که واضح است تعداد کانال های اندازه گیری است، که با توجه به تعداد داده هایی که نیاز به اندازه گیری باشد انتخاب میشود.
در ADC ها استانداردهای دمایی وجود دارد که میزان دمای قابل تحمل آنها را بیان میکند که اگر هدف کار کردن برد در شرایط سخت باشد باید به سمت خرید بردهایی که استاندارد دمای نظامی دارند رفت.
تامین کلاک ADC میتواند به روش های مختلفی انجام شود، از روی برد، با اسیلاتور، از طریق کابل خارجی و … که اگر به این نکته توجه نکنید میتواند پس از خرید برد شما را درگیر جزییات کند.
