ADC가 8 또는 16이 아닌 10 비트를 사용하는 이유는 무엇입니까?

Arduino 의 ADC와 같은 대부분의 ADC 가 8 비트 또는 16 비트가 아닌 10 비트 분해능을 제공 하는 이유는 무엇 입니까?

표준 데이터 크기, 특히 통합 데이터 크기와 일치하지 않는 것이 더 이상해 보입니다.

16 비트를 변환하기 위해 SAR (성공 근사) ADC를 확장하는 데 큰 기술적 문제는 없지만 문제는 아날로그 프런트 엔드의 노이즈 플로어를보기 시작한다는 것입니다. ADC 코드가 튀어 나오는 것을보고 고객이 수십 마이크로 볼트의 편차를보고 있다는 사실을 항상 인식하지는 않기 때문에 고객이 공황 상태에 빠지는 경향이 있습니다.

5.00 V의 기준 전압과 10 비트 ADC를 가정하면, LSB는 4.88 mV의 (2 × 5 V의 전압을 나타내고, ^-10 ). 기준 전압이 5.00V 인 16 비트 ADC의 경우 LSB 전압은 76µV입니다.

그러나 디지털 시스템의 전원 공급 장치는 정확히 5.00V가 아니며 일반적으로 4.75V ~ 5.25V 범위로 지정됩니다. 마이크로 컨트롤러 내에 스위칭 과도 현상이 발생할 때마다 약간의 전류 펄스가있어 전압을 witch니다. LSB가 약 5mV이면 거의 볼 수 없지만 76µV 레벨에서는이 잡음이 보이지 않습니다.

실제로 12 비트 ADC를 지나면 디지털 전원 공급 장치를 사용하는 대신 아날로그 전압 레퍼런스가 필요합니다. 따라서 비용이 추가됩니다. 최상의 결과를 얻으려면이 전압 레퍼런스는 실제로 자체 전원 라인이있는 별도의 칩이어야하며 이상적으로는 노이즈가 많은 디지털 회로와 떨어져 있어야합니다.

16 비트 ADC가 안정적인 판독 값을 제공하려면 매우 깨끗한 기준 전압과 열 제어 가 필요하며 빠른 스위칭 디지털 신호와는 거리를 두는 것이 좋습니다. 따라서 16 비트 SAR을 마이크로 컨트롤러와 동일한 칩은 실제로 그 여분의 비트를 갖는 목적을 물리 칠 것입니다. 당신은 그 여분의 비트에서 랜덤 노이즈를 측정하고있을 것입니다.

고해상도 ADC를 사용하는 고객 애플리케이션이 있습니다. 내가 일하는 회사는이 중 상당수를 만듭니다. 자동화 된 테스트 장비 (ATE), 의료용 초음파 및 기타 특정 특수 유형의 고객은 일부 경우 18 비트 또는 24 비트의 고해상도 ADC를 사용합니다.

고분해능 ADC의 생산 테스트는 시간이 많이 걸리므로 비용이 많이 든다. 이러한 종류의 성능이 필요한 고객은 많은 최신 마이크로 컨트롤러에 내장 된 저렴한 SAR 유형이 아니라 외부 독립형 ADC에 대해 프리미엄을 지불합니다.

그런 다음 레이더 또는 디지털 샘플링 오실로스코프와 같은 고속 애플리케이션이 있으며 100MHz 이상의 속도로 샘플링해야합니다.이 속도에서는 8 개의 의미있는 비트를 얻게됩니다.

해결과 비용 사이의 균형을 유지하십시오.

8 비트는 2 ⁸ = 256 조합을 제공하며 그 중 0은 1이며 0에서 255는 가능한 디지털 값으로 남겨 둡니다. 많은 응용 프로그램에는 충분하지 않습니다. 모든 추가 비트는 해상도를 두 배로 늘리고 10 비트는 1024 단계를 제공하여 대부분의 프로젝트 작업에 충분합니다. 산업 시스템은 더 나은 해상도를 위해 12 비트를 사용할 수 있습니다.

고분해능 ADC는 더 엄격한 공차를 요구하며 제조 비용이 더 비쌉니다.

많은 좋은 지적 포인트가 이미 만들어졌습니다. 나는 수년에 걸쳐 8, 10, 12 및 16 비트 ADC를 광범위하게 사용했으며 현재 4 또는 5 마이크로 초의 변환 시간으로 16 비트를 달성하는 것이 상당히 쉽습니다 (더 나은 제품을 사용할 수 있습니다. 독립형 칩에서 대부분의 사람들이 사용). 그러나 여기에는 종종 박막 저항기를 사용하는 정밀 사다리 네트워크와 다양한 고도로 특수화 된 아날로그 설계 기술이 포함됩니다. (정밀 ADC 회로의 어딘가에 고성능 바이폴라 트랜지스터가 거의 항상 필요하지만 모든 최신 마이크로 컨트롤러는 CMOS이므로 우수한 아날로그 정확도와 CMOS 로직을 결합하여 무엇이든 만들 수있는 수많은 추가 제조 단계가 있습니다. ) 좋은 ADC는 대부분의 마이크로 컨트롤러보다 비싸다! 그렇게 쉬운 일이 아닙니다

예를 들어, 전임자 ADS7509가 그다지 빠르지 않은 TI ADS8509를 고려해 보았습니다. 크고 중요한 프로젝트의 여러 곳에서 사용했습니다.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads8509.pdf

오늘날의 표준으로는 상당히 평범합니다. 그러나 내부 설계 기능은 마이크로 컨트롤러의 저렴한 제조 공정과 호환되지 않습니다. 그리고 대부분의 마이크로 컨트롤러보다 많은 비용이 $ 15.72 이상입니다. 나는 베어 반도체 다이 형태로 밀폐 금속 캔 하이브리드에 통합되어 신중하게 설계된 지원 회로를 사용했으며 실제로 1 LSB pp 노이즈를 거의 얻지 못했기 때문에 수행중인 작업을 알고 있다면 수행 할 수 있습니다. 예산을 포함한 자원이 있어야합니다. 그러나 마이크로 컨트롤러 내부 나 주변에서 그러한 저소음을 절대로 보지 못할 것입니다.

적어도 한 사람이 설명했듯이 주요 문제는 디지털 공급 레일의 노이즈가 ADC에 직접 영향을 미친다는 것입니다. 이제 핀이 제공되는 외부 전압 기준을 사용하면 문제를 해결할 수 있지만 접지에서도 동일한 작업을 수행 할 수 있어야합니다. 그리고 이러한 핀은 디지털 공급 및 접지의 수백 mV 내로 제한되어야합니다. 그렇지 않으면 문제가 발생합니다. 또한, 로직, 로직, 클럭 주파수에서 복잡한 방식으로 상태를 변경하고 I / O 핀에서 상태를 변경하는 실리콘 내부 노이즈 커플 링 (일부 경우 10mA mA 구동 및 스위칭) 한도까지로드했습니다. 소음, 소음 및 기타 소음 ...

내가 인용 한 부분 (그리고 구글은 저렴하고 빠르거나 다른 것들을 위해, 비용과 유연성을 절충)에는 SPI 인터페이스가 있으므로 자체 로컬 접지 평면, 필터링 등을 통해 마이크로 컨트롤러에 외부 적으로 쉽게 사용됩니다. 조심스럽게 16 비트를 줄 것입니다.

예전에는 12 비트 ADC에서 약 10 개 이상의 잡음이없는 비트를 얻는 것이 매우 어려웠지만 여전히 디지털 로직과 같은 더러운 환경에 처해 있었기 때문에 프로세서 칩 내의 온보드 ADC는 그 결의안에 다소 붙어 있고, 아마도 영원히있을 것입니다. 그러나 TI에는 32 비트 외부 칩이 있습니다. 데이터 시트 또는 비용을 보지 못했습니다 ...

절대 정확도를 희생 할 수 있다면 (즉, 스케일 팩터가 DC 오프셋 및 시간 및 온도에 따른 드리프트는 말할 것도없고 선형성이 우수 할 것이므로 5 % 이상 벗어날 수 있지만) 오디오 등급 ADC가 적합 할 수 있습니다. 최소 16 비트이며 대중 시장을 위해 설계되었으므로 종종 좋은 가치를 가지지 만 DC 신호를 +/- 0.1 %로 측정해야하는 정밀 기기에서는 사용하지 않을 것입니다.

한 번에 모든 것을 가질 수는 없습니다. 모든 것이 가장 중요한 문제입니다. 정밀성, 노이즈, 장기 드리프트, 속도, 비용, 전력, 인터페이스 유형 (직렬 또는 병렬) 등 여러 채널을 다중화해야하므로 빠른 시그마 응답 시간이 필요하므로 많은 시그마 델타 ADC를 배제합니다. 그렇지 않으면 매우 좋은 속성이 있습니다.

ADC를 선택할 때. Google은 항상 친구입니다. TI, Linear, National 및 기타 여러 반도체 제조업체의 많은 기사와 애플리케이션 노트가 있습니다. 데이터 시트가 알려주지 않는 것을 항상주의하고 경쟁 업체가 강조하는 매개 변수를 확인하십시오.

그러나 마이크로 컨트롤러 칩에서이 모든 것을 원한다면 프로젝트에서 10 비트 이상 (아마도 9 개의 사용 가능, LSB 노이즈)을 사용하지 않도록 계획하십시오. 또한 칩이 허용 할 경우 별도의 아날로그 참조 및 접지를 계획하십시오. 그렇게하면 시간을 낭비하지 않을 것입니다.

8 비트 ADC는 0.49 % 단계로 인해 사용하기에 무섭습니다. 취미 전자 장치 용으로 설계된 Arduino는 0.1 %에 가까운 4 배 많은 단계를 사용하므로 일반적인 연산 증폭기 또는 트랜지스터 센서 회로에서 기대할 수있는 신호 대 잡음 (플러스 험)에 가깝습니다. 그보다 더 좋은 것은 Hobyist 등급의 가정용 전자 제품에 낭비되는 것보다 훨씬 나쁘고 너무 끔찍한 것입니다.

16 비트 ADC는 시중에서 구할 수 있지만 잡음이나 노이즈가 이동하는 동안 정착하는 데 시간이 오래 걸리므로 더 나은 측정 결과를 얻지 못하고 느려집니다.

ADC는 변환 할 때 연속 아날로그 신호에 대한 디지털 (양자화) 값을 제공합니다. 디지털 값은 변환 순간의 아날로그 값이 아니기 때문에 그 차이를 가산 노이즈로 간주 할 수 있습니다. ADC의 분해능이 높을수록 아날로그 값에서 디지털 값이 더 가깝습니다. 다시 말해 ADC의 비트를 증가시켜 신호 대 양자화 잡음비 (SQNR)를 개선합니다. 따라서 10 비트 ADC는 8 비트 (10dB 정도)보다 낫습니다 (약 12dB).

16 비트 A / D를 사용하면 SQNR 측면에서 더 좋습니다. 그러나 더 비쌉니다. 그리고 많은 응용 분야에서 10 비트 ADC는 필요한 SQNR을 충분히 제공합니다.

일반적으로, 탐사 단계의 비트 수는 양자화 단계가 시스템의 (아날로그) 노이즈 플로어보다 약간 아래에 있도록하기를 원합니다.

더 많은 비트를 사용하고 노이즈 플로어보다 더 낮은 양자화 단계를 사용하면 전체 노이즈 성능이 거의 향상되지 않지만 더 많은 실리콘을 사용하면 변환 시간이 길어 지거나 컨버터 내부가 더 빨리 실행되어야합니다 (따라서 더 소음이납니다)

더 적은 비트를 사용하고 따라서 잡음 플로어 위의 양자화 단계를 갖는 것은 일반적으로 나쁘다. 이는 아날로그 회로의 성능을 낭비하고 일부 경우 평균화를 통해 제거 할 수없는 체계적인 오류를 생성 할 수 있음을 의미합니다 (실제로 디자이너는 의도적으로 정량화로 인한 체계적인 오류를 피하기 위해 시스템에 노이즈를 추가합니다).

8 비트와 16 비트의 차이는 거대합니다. 전자는 잡음 성능이 상당히 낮은 시스템에서도 너무 큰 양자화 단계로 끝납니다. 후자는 매우 신중한 아날로그 디자인이없는 시스템에서 낭비됩니다. 놀랍게도 마이크로 컨트롤러는 그 사이의 어딘가에 있습니다.

사람들은 종종 "양자화 노이즈"에 대해 이야기하지만 "양자화 노이즈"의 개념은 일부 상황에서 세분화 된 현실의 단순화 된 모델이라는 것을 기억하는 것이 중요합니다.

ADC의 가장 일반적인 용도는 사운드 처리 영역 (VoIP, CD 음악 등)에 있습니다. 여기에는 16 비트가 필요하므로 음악에 관심이 없습니다. 그러나 VoIP는 하위 비트 ADC 시장을 이끄는 원동력입니다. VoIP는 보통 12 비트 입력 신호에서 8 비트 압축 PCM 코드를 생성하는 컴 팬딩을 사용합니다. 압축 단계의 입력은 더 많은 비트를 가져야합니다. 일반적으로 12 또는 10이 충분할 수 있습니다 (항상 가장 낮은 2 비트를 위조 할 수 있음).

결과적으로 8 비트 ADC에 대한 수요는 매우 적지 만 높은 비트의 ADC는 수요가 많으므로 저렴하게 사용할 수 있습니다. Arduino는 저렴하고 어디에서나 사용 가능한 구성 요소를 사용할 수 있습니다.