Чоппингом называется специальная техника быстрой смены пути распространения сигнала в тракте оцифровки АЦП, предназначенная для устранения напряжений смещения и других ошибок оцифровки низких частот. В этом апноуте (здесь приведен перевод апноута AN-609 [1]) объясняется общая методика реализации чоппинга в микросхемах Σ-Δ АЦП высокой разрешающей способности AD7708/AD7718, AD7709, AD7719, AD7731 [3], AD7782/AD7783, и обсуждаются достоинства применения этой техники.

Ошибки смещения. Ошибки смещения уровня напряжения могут возникать во многих местах цепочки обработки сигнала. Например, постоянный уровень сигнала может смещаться из-за температурной зависимости места соединения двух разных металлов. В таких сложных интегральных схемах, как АЦП, есть множество источников внутренних ошибок смещения: несоответствие между параметрами входными дифференциальных каскадов усилителя, инжекция заряда в конденсатор выборки-хранения, когда ключ выборки закрыт, или наводки от электромагнитных помех. Эти смещения обычно нежелательны и в частности создают проблемы, когда поменялась температура после калибровки, потому что однократная калибровка прибора будет недостаточной, так как она не сможет компенсировать все изменения температуры и уровней напряжения питания.

Смысл чоппинга. Смещение, которое возникает между различными усилителями Σ-Δ модулятора, может быть обнулено либо локальным чоппингом, либо автоматическим сбросом нуля усилителя. Однако таким способом другие ошибки смещения не могут быть удалены. Решение, примененное в вышеперечисленных АЦП, заключается в полном чоппинге всей цепочки аналогового сигнала внутри АЦП. Это удалит любое смещение и ошибки низкой частоты, в результате получатся предельно малые ошибки смещения и ухода уровня. Схема этого решения показана на рис. 1.

Рис. 1. Технология чоппинга.

Дифференциальный вход модулятора поочередно инвертируется (или меняются местами, т. е. подвергаются чоппингу) на входном мультиплексоре, и преобразование АЦП выполняется на каждой фазе чоппинга. Осуществляется обратный чоппинг на выходе модулятора перед тем, как сигнал попадает в цифровой фильтр.

Если мы смоделируем смещение в Σ-Δ модуляторе как параметр V_OS, добавленный к входному сигналу, то на выходе при Chop = 0 будет следующее:

(A_IN(+) - A_IN(-)) + V_OS

И на выходе при Chop = 1 будет следующее:

-[(A_IN(-) - A_IN(+)) + V_OS]

Напряжение ошибки V_OS удаляется путем усреднения двух результатов в цифровом фильтре:

(A_IN(+) - A_IN(-))

что эквивалентно дифференциальному входному напряжению без фактора смещения.

Результаты/калибровка. Чоппинг дает эффект от виртуального устранения любых ошибок смещения, возникающих в АЦП, и что более важно, минимизируют любой уход смещения при изменении температуры. Типичное смещение этих АЦП указывается как ±10 nV/°C. Фактически оно настолько мало, что его измерить нельзя. Вся аналоговая схема получает чоппинг от входного мультиплексора до выхода модулятора. Таким образом, калибровки смещения АЦП не требуются. Спецификация ошибки смещения этих АЦП обычно составляет ±3 μV. Это измеряется при 0V, приложенному снаружи, когда микросхема установлена в сокет печатной платы, так как может быть ошибка термопары из-за разных металлов, используемых для контактов (дорожка печатной платы, пайка, место посадки вывода, шина проводника, металлизация и т. д.

Отклик на ступенчатое изменение входного сигнала. Поскольку АЦП должно сделать преобразование для Chop = 0 и Chop = 1, первый вывод из АЦП произойдет после двух периодов преобразований (2 x T_ADC), поэтому присутствует время двух преобразований до того, как появится на выходе первый результат. Последующие выходные результаты будут появляться после каждого периода преобразования (T_ADC). Эта задержка двух преобразований вводится после того, как меняется канал АЦП, после изменения усиления PGA или после изменения режима работы АЦП. Например, после выхода из состояния power-down (выключено) нет неправильных промежуточных выводов – первый вывод данных после смены канала на 100% установится на новое напряжение канала.

Если аналоговый вход подвергается ступенчатому изменению, внешнему по отношению к АЦП, например если случайно поменялось состояние выхода датчика, или переключился внешний мультиплексор, то АЦП автоматически не узнает, что произошло изменение. В результате на выходе получится усреднение между старым и новым входным сигналом, если для АЦП не будет указано запустить чистое преобразование путем прерывания работы преобразователя, когда внешний мультиплексор переключается, тогда перезапуск АЦП приведет к появлению выходного результата на время 2 x T_ADC позже.

В том, что АЦП генерирует промежуточные результаты при быстром изменении входного сигнала, нет ничего необычного. Такое поведение идентично аналоговому фильтру. Если скачкообразное изменение, приложенное ко входу, проходит через ФНЧ, то на выходе через некоторый период времени появится напряжение, точно отражающее реальное входное напряжение, и в течение этого периода на выходе фильтра будет усредненная комбинация старого и нового напряжения на входе.

Рис. 2. Отклик выхода аналогового фильтра на скачкообразное изменение входного сигнала.

Упомянутые выше Σ-Δ АЦП содержат FIR-фильтр низкой частоты со спадом 3 dB на выходе из полосы частот и временем установки, и его отклик подобен отклику аналогового фильтра, но с дискретизацией по времени, с конечной длительностью отклика на скачкообразный импульс на входе.

Единственная характеристика этих АЦП, которая может быть неожиданной - может быть два промежуточных выходных значения оцифровки после изменения на аналоговом входе. Это следствие присутствия чоппинга. Как объяснялось выше, АЦП с чоппингом усредняет текущее преобразование с предыдущим. Если на аналоговом входе меняется напряжение в течение периода преобразования, то текущее преобразование АЦП отразит комбинацию старого и нового входного сигнала, и их усредненный результат даст промежуточное значение. Следующее (не усредненное) преобразование будет точно отражать новый уровень на входе. Однако, когда оно усреднено с предыдущим преобразованием, это все еще не даст конечное правильное значение, в результате получается второе не установившееся выходное измерение. И только третье значение оцифровки даст полностью точное, установившееся значение входного сигнала (см. рис. 3i).

Другое ограничение Σ-Δ АЦП в том, что они дают эффективный вывод после 2 x T_ADC, т. е. это вдвое снижает поток выходных данных. В этом случае есть самое большее один промежуточный результат после появления изменения на аналоговом входе, что происходит из-за уменьшенной скорости преобразования АЦП (см. рис. 3ii). Фактически такие АЦП получают более высокую латентность для ответа на изменение входного сигнала.

Рис. 3. Сравнение латентности АЦП с наличием дополнительного промежуточного результата (i) и без такового (ii).

Какую применять технологию оцифровки в АЦП, зависит от требований конкретного приложения. Например, в критичных по безопасности системах управления важно получить как можно быстрее точный результат, чтобы как можно раньше предпринять соответствующие действия. АЦП, которые дают более быстрый отклик на изменение входного сигнала, чем 2 x T_ADC, позволяют получать результат оцифровки с меньшей задержкой.

Если скачкообразное изменение произошло из-за переключения во внешнем мультиплексоре, то обычно лучше всего одновременно прервать работу АЦП на момент переключения, и получить установившийся результат позднее на время 2 x T_ADC. Но если изменение на входе АЦП возникло из-за быстрого изменения на выходе датчика, то может быть важнее получить индикацию этого изменения как можно скорее.

Частотный отклик. Чоппинг также ухудшает параметры по максимальной полосе частот АЦП, но из этого даже можно извлечь выгоду. Например, можно усилить подавление помех 50/60 Гц.

[Словарик]

ADC Analog-Digital Conversion, имеется в виду аналого-цифровой преобразователь, АЦП.

FIR Finite Impulse Response, имеется в виду фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр).

PGA Programmable Gain Amplifier, усилитель с программируемым коэффициентом усиления.

[Ссылки]

1. AN-609 Chopping on Σ-Δ ADCs site:analog.com.
2. Улучшение оцифровки с помощью передискретизации и усреднения.
3. АЦП AD7731.