К каким частотам шума восприимчив АЦП с передискретизацией?

При вычислении шума, приведенного к входу, и фильтрации с помощью 24-битного сигма-дельта АЦП ( MCP3561 ) я столкнулся с препятствием. Зная плотность спектра шума (нВ/кв.кв.(Гц)) источника шума сигнала, такого как тепловой шум, шум в мкВ (среднеквадратичное значение микровольт) рассчитывается с использованием ширины полосы сигнала. Последнее число должно быть минимальным шумом, определяющим эффективное разрешение. Поэтому мне нужно знать, какая полоса пропускания (диапазон частот) применяется в моем сценарии:

АЦП выполнит внутреннюю передискретизацию, чтобы сформировать однократное показание. Сигнал исходит от термистора, где мощность смещения будет пульсировать с частотой 10 Гц в течение всего времени работы АЦП, поэтому сам сигнал считается постоянным в течение периода измерения, и я полагаю, что частота сигнала составляет 10 Гц. Но диапазон частот 0–10 Гц не может разумно использоваться для расчета шума, поскольку большую часть времени АЦП неактивен.

Является ли диапазон частот от 0 до времени выборки с передискретизацией (в диапазоне кГц, но только одна выборка)?

Или диапазон частот от 0 до внутренней частоты дискретизации АЦП (в диапазоне МГц)? Но я читал, что более высокие скорости АЦП уменьшают проблему шума, что не согласуется с этой идеей. И хотя АЦП работает на частоте 4,9 МГц, время выборки для каждого уровня передискретизации указывается в 3 раза больше ожидаемого (например, OSR=128 занимает 78 мкс = 12,8 кГц = 4,9 МГц / (3 * 128)), поэтому даже внутренняя частота непонятно мне.

Также легко представить, что даже более высокие частоты шума влияют на измерение, но, может быть, любой высокочастотный шум фильтруется в АЦП и включается в спецификацию АЦП ENOB? Может быть, задействован какой-то предел Найквиста.

Цель состоит в том, чтобы понять практическое разрешение измерения при различных значениях Vref и уровнях передискретизации, а также оптимизировать фильтры. Мне кажется, что медленный сигнал можно фильтровать до тех пор, пока тепловой шум не станет пределом, но чтобы это знать, мне нужен тепловой шум сигнала как uVrms.

Основная идея передискретизации заключается в том, что вы фильтруете нежелательные частоты в цифровом виде после сэмплирования. Следовательно, шум в этом частотном диапазоне ослабляется. Это также дополнительно осложняется формированием шума при сигма-дельта модуляции. Я также думаю, что вы путаетесь между аналоговым шумом (тепловым) и шумом квантования. Передискретизация помогает только при шуме квантования, потому что он распространяется в интервале [-Fs/2, Fs/2]. Имея это в виду, вы должны отредактировать свой вопрос. Не совсем понятно, что вы спрашиваете.
Я отредактировал вопрос, чтобы уточнить. Насколько я понимаю, шум квантования указан в таблице данных, поэтому мне не нужно его вычислять. Мне нужно знать, что такое «тот диапазон частот», в котором ослабляется передискретизация. «Нежелательные частоты» — это все, что выше 10 Гц, что бесполезно для расчета мощности шума. Я не понимаю, почему передискретизация помогает с шумом квантования, а не с входным шумом.
Чтобы понять, почему передискретизация не влияет на входной шум, рассмотрим идеальный АЦП с бесконечной частотой дискретизации и бесконечным ENOB. Он отлично реконструирует входной сигнал. Следовательно, не будет шума квантования. Однако это ничего не сделает с входным шумом. Это то, что вы ожидаете увидеть. Единственной целью АЦП является точное преобразование входного аналогового сигнала в цифровую область. Он не может отличить входной сигнал от входного шума. Все это выглядит одинаково для АЦП.
Вы также говорите, что мощность термистора будет импульсами с частотой 10 Гц. Означает ли это, что рабочий цикл равен 0,5? Пульсация питания создаст прямоугольный эффект окна. Таким образом, вы получите сигнал термистора, который вы бы получили при постоянно включенном питании, свернутом с окном sinc в частотной области. Если вы предполагаете, что сигнал является постоянным током, как вы это сделали, вы получите дельту Дирака, свернутую с синусом, что дает только синус с центром в дельте Дирака. Поскольку дельта Дирака находится на частоте 0 Гц, у вас остается только функция sinc. Тогда вам понадобится фильтр сглаживания.
После этого вам нужно сэмплировать отфильтрованный файл sinc. Тепловой шум на входе АЦП будет определяться полосой пропускания сглаживающего фильтра. Шум квантования будет определяться частотой дискретизации, формированием шума (порядок сигма-дельта), размахом вашего сигнала от пика до пика и т. д. Я также заметил некоторую фильтрацию sinc в АЦП. Я не читал более 100 страниц данных, поэтому не знаю, каковы его характеристики. Вам нужно будет включить это тоже. Итак, вы видите, ваш вопрос довольно сложный.
Я буду синхронизировать импульсы мощности смещения таким образом, чтобы однократный АЦП выполнялся только после стабилизации фильтров, поэтому нет необходимости рассматривать «прямое окно». Сигнал находится в действии постоянного тока. Правильно ли я предполагаю, что мой фильтр сглаживания должен иметь настолько низкую отсечку, насколько это практически возможно? (Поскольку 10 Гц непрактично.)
«Тепловой шум на входе АЦП будет определяться полосой пропускания сглаживающего фильтра» — это мой первоначальный вопрос. Фильтр ослабит все шумы сигнала, но также добавит свой собственный тепловой шум. Если нет верхнего предела частот шума, к которым восприимчив АЦП, формула теплового шума P = 4 * kB * T * delta(f) будет стремиться к бесконечности по мере роста f . Бесполезно для расчета влияния теплового шума.
Но есть верхний предел, задаваемый полосой пропускания фильтра. Имейте в виду, что тепловой шум конденсатора составляет (кТл/Кл)^0,5. Следовательно, сглаживающий фильтр нижних частот добавляет шум только в полосе пропускания. Что касается частоты среза; оно должно быть как можно ниже, но достаточно высоким, чтобы фильтр оседал в разумные сроки. Посмотрите на переходную характеристику фильтра. Может потребоваться удивительно много времени, чтобы установить значение в пределах 24 ENOB.
Теперь, когда я думаю об этом, вам не нужен такой узкий аналоговый фильтр. Вы можете отфильтровать высокочастотные компоненты теплового шума в цифровой области.
Если бы это было в викторине, я бы отметил « Но 0–10 Гц не может разумно быть частотным диапазоном для расчета шума, поскольку большую часть времени АЦП неактивен » как правильный (на самом деле это 0). -10 Гц), где основной вклад вносит шум 1/f, а nv/sqrt(Hz) — второстепенный. - Но это только я предполагаю/исхожу из своей интуиции. С практической точки зрения я бы либо связался с микрочипом, либо установил что-то на макетной плате и использовал анализатор динамических сигналов. Вот видео Дейва Джонса из EEVblog, измеряющего входной шум, что-то, что, я думаю, связано с вашей проблемой.

Ответы (2)

В любом АЦП без джозефсоновского перехода у вас будут аналоговые компараторы; их полоса пропускания, вероятно, будет устанавливать минимальный уровень шума.

Как оценить шум компаратора? просто используйте входную емкость затвора FET.

Используя sqrt(K * T /C), математический расчет шума дискретизации с переключением конденсаторов, вы обнаружите, что конденсатор емкостью 10 пФ создает среднеквадратичное значение шума 20 мкВ. И (более вероятно, что он получит значение C_gate_oxide) 1 пФ будет производить 20 мкВ (среднеквадратичное значение) * sqrt (10 пФ/1 пФ) или 20 мкВ * 3,16 = 63 мкВ (среднеквадратичное значение).

Поведение с передискретизацией приводит к уменьшению среднеквадратичного значения 63 мкВ до значения, подходящего, например, 2 мкВ, для 24-разрядного АЦП.

Одна вещь, которую вы можете найти интересной, — это оцифровка синусоиды 5uVPP или любого хорошо описанного входа, состоящего всего из нескольких квантов. Будет ли АЦП давать правильную плотность кода? И как мы можем сказать, учитывая дизеринг 63 мкВ?

Я уверен, что Microchip учтет в техническом описании все источники шума внутри микросхемы АЦП. Таблица 2-1 MCP3561 суммирует шумовые характеристики чипа. Естественно, они не могут предвидеть шум в сигнале и Vref, поэтому мне нужно понять, какие частоты входного шума будут влиять на измерения, если не используется непрерывный режим АЦП.
насколько чистым будет ваш VREF? не прочитав техническое описание (пока), я предлагаю вам продолжить с устойчивым мышлением. Некоторые шумовые явления мерцания (также известные как 1/F), возникающие из-за низкочастотных захваченных зарядов, будут зависеть от того, как долго подается напряжение смещения. Так что я бы не беспокоился об этом. Вы должны знать о самонагреве как об источнике ошибки; операционные усилители и компараторы внутри 24-разрядного АЦП могут изменить или не изменить поведение, используя 100 микросекунд начального нагрева кремниевого кристалла после включения питания.
Спасибо. Я также буду фильтровать VREF, предполагая, что шум на VREF так же плох, как и шум сигнала. Я также буду следить за самонагревом микросхемы.
Как вы будете разрезать заземляющий слой, чтобы лучше уменьшить напряжение I * R между АЦП и датчиком? или сохранить индуцированные напряжения V = L * dI/dT на дорожках Vin+ и Vin-? если между плоскостью GND и дорожкой Vin+ существует взаимная индуктивность размером 10 наноГенри, и ток течет по пути GND со скоростью 0,1 ампер/100 наносекунд (от импульсного регулятора), Vinduce = 1e-8 H * 10^+6 ампер /сек == 0,01 вольта. Таким образом, одна из ваших задач состоит в том, чтобы НАПРАВИТЬ токи в сторону от дорожек Vin+ и Vin- и лежащей в их основе плоскости GND.
Спасибо, расчет помог. Я добавил два разреза. Буфер АЦП находится на краю заземляющей пластины с термистором на расстоянии 45-50 мм от него, подключенным Vin+/Vin- в основном поверх удлиняющейся полосы GND. Он может быть уязвим для Wi-Fi 5,8 ГГц, но я мог бы даже покрыть путь сигнала проводящим покрытием для импровизированного дополнительного слоя заземления.
вы на рулоне с этим. Пожалуйста, сообщите нам о результатах вашей работы.

Я наконец наткнулся на ответ. Техническое описание MCP3561 включает две диаграммы для «частотной характеристики прореживающего фильтра». Вот один для 256-кратной передискретизации:введите описание изображения здесь

Насколько я понимаю, это показывает, что все частоты выше 3-4 кГц сильно затухают (за исключением пика 1 МГц, который легко подавляется RC-фильтром входного вывода). Таким образом, я должен рассчитывать внешний шум на основе спектральной плотности шума от 0 до 3-4 кГц.

К каким частотам шума восприимчив АЦП с передискретизацией?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v