Отечественный 24-разрядный 1 кВыб/с дельта-сигма АЦП

Основные характеристики:

• Разрядность: 24 бит;
• Два канала преобразования;
• Частота дискретизации: 16 выб/с – 1 Квыб/с;
• Интегральная нелинейность: 10 ppm;
• Встроенный усилительный каскад с КУ = 2, 4, 8, 16;
• Напряжение смещения: 350/КУ мкВ;
• Соотношение сигнал/шум (SNR): 100 дБ;
• Коэффициент подавления синфазной составляющей (CMRR): 106 дБ;
• Коэффициент подавления помех по питанию (PSRR): 70 дБ;
• Размах полной шкалы: 1,0–5,0 В;
• Частота внутреннего генератора: 1,024 МГц;
• Встроенный источник опорного напряжения: 2,5 В;
• Напряжение питания ядра: 5,0 В ±5%;
• Напряжение питания периферийной части: 2,5–5,0 В;
• Ток потребления: 1,4 мА.

В микросхеме реализован двухканальный мультиплексор для дифференциального входного сигнала. В качестве входного напряжения можно также выбрать канал опорного напряжения для калибровки полной шкалы.

Для улучшения точности измерения в микросхеме можно выбирать полярность входного сигнала. Эту настройку можно использовать для прецизионных измерений с очень низким дрейфом смещения. Меняя полярность входного сигнала и усредняя результаты оцифрованного сигнала с учетом знака, можно подавить все смещения и низкочастотные дрейфы с точностью до уровня шумов.

Встроенный усилительный каскад состоит из двух ОУ (У1 и У2) и программируемых резисторов для установки коэффициента усиления (рис. 2). Коэффициент усиления (КУ) настраивается с помощью конфигурационного регистра на значения 2, 4, 8, 16. Возможно также отключение усилителя для расширения диапазона входного сигнала.

В таблице 2 представлены значения размаха полной шкалы для разных КУ при опорном напряжении 2,5 В.

CAPP и CAPN – положительный и отрицательный выходы усилителя. Для предотвращения искажений в импульсах модулятора между выводами рекомендуется установить конденсатор емкостью 4,7 нФ, который выполняет функцию аналогового фильтра.

У усилителя есть строгие ограничения на диапазон входного напряжения: положительное и отрицательное абсолютное значение входного напряжения должно соответствовать определенному диапазону:

V_VSSA + 0,3 + |V_IN| ∙ (КУ – 1)/2 < V_INP, V_INM V_INP

V_INM < V_VDDA – 0,3 – |V_IN| ∙ (КУ – 1)/2

где VIN – дифференциальное входное напряжение (VIN = V_INP – V_INM); V_INP, V_INM – абсолютное значение входного напряжения; V_VSSA, V_VDDA – напряжение питания; КУ – коэффициент усиления.

Связь между входом и выходом усилительного каскада представлена на рис. 3. Для стабильной работы выходное напряжение должно находиться в пределах (V_VSSA + 0,3)… (V_VDDA – 0,3) В.

Применение встроенного усилителя позволяет уменьшить шум, приведенный ко входу (рис. 4). Шумовые характеристики АЦП для различных коэффициентов усиления и частоты дискретизации приведены в табл. 3.

Примечание. Шум указан в ед.мкВ_СКЗ (мкВ_П–П); T = 27°C, V_VDDA = V_VDDD = 5,0 В, V_VSSA = 0 В, V_REF = 2,5 В – внешний ИОН, внутренний источник тактовой частоты.

В микросхеме реализован ΔΣ-модулятор 2­го порядка, который оцифровывает входное аналоговое напряжение с частотой дискретизации f_MOD = f_CLK/4 = 256 кГц и преобразует в однобитовый поток данных.

Цифровой фильтр АЦП получает однобитовый поток данных модулятора, осуществляет фильтрацию и децимацию для получения окончательного результата преобразования.

Фильтр sinc состоит из двух каскадов (рис. 5): первый каскад – фильтр типа sinc⁵ 5­го порядка с коэффициентом децимации 256; второй каскад – фильтр sinc³ с переменным коэффициентом децимации (4, 16, 64). Настройка цифрового фильтра осуществляется с помощью конфигурационного регистра.

Общая характеристика фильтра определяется уравнением:

где f – частота сигнала; f_CLK = 1024 кГц – частота внутреннего генератора; A = 256 – коэффициент децимации; B = 4, 16, 64 – переменный коэффициент децимации.

Настройка параметров цифрового фильтра позволяет находить оптимальный баланс между разрешением, временем преобразования и подавлением помех.

В табл. 4 указано время задержки фильтра после запуска преобразования до получения корректных данных в зависимости от частоты дискретизации.

На рис. 6 приведена временная диаграмма готовности данных для единичного преобразования. Для непрерывного режима (рис. 7–8) корректные данные появляются на 5­й сигнал DRDY (для частоты дискретизации 1 кГц) и на 3­й сигнал DRDY (для частоты дискретизации 250; 62,5; 15,625 Гц).

В микросхеме реализован встроенный ИОН на 2,5 В, который рекомендуется использовать в методе измерения соотношений (в ратиометрических измерениях). Для абсолютных измерений рекомендуется применять внешний малошумящий источник опорного напряжения.

Взаимодействие с управляющим устройством осуществляется через последовательный SPI интерфейс. Поддерживаются два режима работы последовательного интерфейса:

• режим 1 (CPOL = 0, CPHA = 1);
• режим 3 (CPOL = 1, CPHA = 1).

Для управления микросхемой предусмотрены четыре команды: чтение и запись конфигурационного регистра, старт преобразования, сброс микросхемы до значений по умолчанию.

Для согласования уровней цифровых сигналов с управляющим устройством в микросхеме реализован вывод питания периферийной части с допустимым диапазоном напряжения 2,5–5,0 В.

Микросхема освоена в компактном 28-выводном металлокерамическом корпусе МК 5123.28–1.01 размерами 6,5x6,5 мм (рис. 9) и рассчитана для работы в широком температурном диапазоне –60…+125 °C.

АЦП также предназначен для промышленных применений в металлополимерном корпусе QFN­28 размерами 5,0x5,0 мм (рис. 10).

Для оценки характеристик микросхемы разработана демонстрационная плата КФЦС.441461.230, которая отражает основные возможные режимы работы микросхе­мы. Плата доступна по предварительному заказу. Для ускорения начала работы с микросхемой разработан скетч для аппаратно-программной платформы Arduino. В скетче реализованы все команды управления АЦП: считывание данных преобразования, запись и чтение данных конфигурационного регистра АЦП, сброс микросхемы до значений по умолчанию.

Микросхемы обладают высокой надежностью (наработка до отказа – свыше 100000 ч) и стойкостью к СВВФ, включая факторы космического пространства (стойкость к ТЗЧ не менее 60 МэВ·см²/мг).

АЦП доступны для заказа с приемкой «ВП» и «ОТК». Плановый срок серийного освоения и подачи заявки на включение в Перечень ЭКБ – I кв. 2025 г. Также проводятся мероприятия по включению микросхемы 5400ТР045В-025 в каталог промышленной продукции ГИСП.

Микросхемы высоконадежных АЦП разработаны с использованием отечественных материалов (включая полупроводниковые кристаллы), вероятность срыва поставок из-­за санкционных рисков отсутствует.

Применение встроенного усилительного каскада, смена полярности входного сигнала с последующим усреднением результатов преобразования и возможность выбора канала опорного напряжения для калибровки полной шкалы улучшает точностные характеристики микросхемы.

Наличие встроенного ИОН и генератора тактового сигнала позволяет уменьшить количество требуемых внешних компонентов. Микросхема освоена в двух корпусах: в металлокерамическом для жестких условий эксплуатации (в том числе для разработки специальной аппаратуры) и в пластиковом для промышленного применения.