مبدل های سرعت بالا

مبدل‌های داده به‌عنوان دروازه‌ای بین دامنه آنالوگ «دنیای واقعی» و دنیای دیجیتال 1 و 0، عنصر حیاتی پردازش سیگنال مدرن هستند. در طول سه دهه گذشته، نوآوری های متعدد در تبدیل داده ها نه تنها باعث پیشرفت عملکرد در همه چیز از تصویربرداری پزشکی و ارتباطات سلولی گرفته تا صدا و تصویر مصرف کننده شده است، بلکه به ایجاد برنامه های کاربردی کاملاً جدید کمک کرده است. در این سری از مقالات برنا پایش قصد داریم در ارتباط با مبدل های سرعت بالا صحبت کنیم همراه ما باشید.

مبدل های سرعت بالا

گسترش مداوم ارتباطات پهنای باند و برنامه‌های تصویربرداری با کارایی بالا، تأکید خاصی بر تبدیل داده‌ها با سرعت بالا داشته است. مبدل‌هایی که قادر به مدیریت سیگنال‌های با پهنای باند 10 مگاهرتز به بیش از 1 گیگاهرتز هستند. برای رسیدن به این سرعت های بالاتر از معماری های مبدل مختلفی استفاده می شود. که هر کدام دارای مزایای ویژه ای هستند.

حرکت به جلو و عقب بین دامنه آنالوگ و دیجیتال با سرعت بالا، چالش‌های خاصی را در یکپارچگی سیگنال ایجاد می‌کند. نه فقط برای سیگنال آنالوگ، بلکه برای سیگنال‌های کلاک و داده نیز همینطور است. درک این مسائل نه تنها در انتخاب مؤلفه مهم است، بلکه حتی می تواند بر انتخاب معماری کلی سیستم تأثیر بگذارد.

سریعتر، سریعتر، سریعتر

در بسیاری از حوزه‌های فناوری، پیشرفت‌های فناوری را با سرعت‌های بیشتر مرتبط کرده‌ایم. ارتباطات داده، از اترنت گرفته تا شبکه‌های محلی بی‌سیم و سلولی، همه چیز در مورد حرکت بیت‌ های سریع‌تر است. ریزپردازنده‌ها، پردازنده‌های سیگنال دیجیتال و FPGA به طور قابل‌توجهی از طریق پیشرفت در نرخ کلاک پیشرفت می‌کنند.

آنها عمدتاً توسط لیتوگرافی های فرآیندی کوچک می شوند که ترانزیستورهای کوچکتری را ارائه می دهند که می توانند سریع تر (و با توان کمتر) سوئیچ شوند. این پویایی ها محیطی را ایجاد کرده است که قدرت پردازش و پهنای باند داده را در آنها به طور تصاعدی افزایش میدهد.

پردازنده ای که با فرکانس 100 مگاهرتز کار می کند ممکن است بتواند سیگنال های با پهنای باند 1 تا 10 مگاهرتز را به طور موثر دستکاری کند. پردازنده هایی که با نرخ کلاک چند گیگاهرتز کار می کنند می توانند سیگنال هایی با پهنای باند صدها مگاهرتز را کنترل کنند.

سیگنال های باند پهن

قدرت پردازش و سرعت بیشتر به طور طبیعی منجر به تبدیل سریع‌تر داده‌ها می‌شود. سیگنال‌های باند پهن، پهنای باند خود را افزایش می‌دهند. (اغلب به محدوده‌های طیف تعیین‌شده توسط فیزیک یا تنظیم‌کننده‌ها)، سیستم‌های تصویربرداری برای پردازش سریع‌تر تصاویر با وضوح بالاتر، پیکسل‌های بیشتری را در ثانیه مدیریت می‌کنند. سیستم‌ها برای بهره‌برداری از این اسب‌بخار پردازش شدید، از جمله گرایش به سمت پردازش موازی، که ممکن است به معنای مبدل‌های داده چند کانالی باشد، بازسازی می‌شوند.

یکی دیگر از تغییرات مهم معماری، گرایش به سیستم های چند حامل/چند کانال یا حتی سیستم های تعریف شده توسط نرم افزار است. سیستم‌های متداول و فشرده آنالوگ، بیشتر کار شرطی‌سازی سیگنال (فیلتر کردن، تقویت، ترجمه فرکانس) را در حوزه آنالوگ انجام می‌دهند. سیگنال پس از اینکه به دقت آماده شد دیجیتالی می شود.

به فرض مثال

این مثال می تواند یک رادیو FM باشد. یک ایستگاه رادیویی معین یک کانال گسترده 200 کیلوهرتز خواهد بود . که جایی در باند رادیویی FM 88 تا 108 مگاهرتز خواهد بود. یک گیرنده معمولی فرکانس ایستگاه مورد نظر را به یک فرکانس میانی 10.7 مگاهرتز ترجمه می‌کند. همه کانال‌های دیگر را فیلتر می‌کند و سیگنال را تا دامنه بهینه برای دمودولاسیون تقویت می‌کند.

یک معماری چند حامل، کل باند FM 20 مگاهرتز را دیجیتالی می کند و پردازش دیجیتال برای انتخاب و بازیابی ایستگاه های رادیویی مورد علاقه استفاده می شود. در حالی که طرح چند حامل به مدارهای بسیار پیچیده تری نیاز دارد، مزایای سیستمی بسیار خوبی را ارائه می دهد. این سیستم می تواند چندین ایستگاه را به طور همزمان بازیابی کند، از جمله ایستگاه های باند جانبی.

اگر به درستی طراحی شود، یک سیستم چند حامل حتی می‌تواند نرم‌افزاری برای پشتیبانی از استانداردهای جدید (مثلاً ایستگاه‌های رادیویی HD جدید که در باندهای جانبی رادیویی قرار گرفته‌اند) دوباره پیکربندی شود.

توسعه نهایی این رویکرد، داشتن یک دیجیتالیزه کننده باند پهن است که می تواند همه باندها را دریافت کند، و یک پردازنده قدرتمند که می تواند هر نوع سیگنالی را بازیابی کند، این رادیو تعریف شده توسط نرم افزار نامیده می شود.

محدوده دینامیک

پهنای باند و محدوده دینامیک ابعاد اساسی پردازش سیگنال، چه آنالوگ یا دیجیتال، پهنای باند و محدوده دینامیکی است. این دو عامل تعیین می‌کنند که یک سیستم واقعاً چه مقدار اطلاعات را می‌تواند مدیریت کند.

برای ارتباطات، قضیه کلود شانون از این دو بعد استفاده می‌کند تا محدودیت نظری اساسی را در مورد اینکه چقدر اطلاعات می‌تواند در یک کانال ارتباطی حمل شود، توصیف می‌کند. اما این اصول در رژیم‌های مختلف اعمال می‌شود. برای یک سیستم تصویربرداری، پهنای باند تعیین می کند که چند پیکسل را می توان در یک زمان معین پردازش کرد. و محدوده دینامیکی شدت یا محدوده رنگی بین کم نورترین منبع نور قابل درک و نقطه اشباع شدن پیکسل را تعیین می کند.

شایان ذکر است که این تصویر برنامه ثابت نیست. برنامه‌های کاربردی موجود می‌توانند از فناوری‌های جدید و با کارایی بالاتر برای افزایش قابلیت‌های خود بهره ببرند. همچنین هر سال برنامه‌های کاملاً جدیدی ظاهر می‌شوند و بیشتر فعالیت‌های جدید در لبه بیرونی مرز عملکرد خواهد بود. با ترکیب‌های جدید سرعت بالا و وضوح بالا فعال می‌شود. این یک لبه در حال گسترش از عملکرد مبدل، مانند یک موج در یک حوض ایجاد می کند.

همچنین مهم است که به خاطر داشته باشید که بیشتر برنامه‌ها به مصرف انرژی مربوط می‌شوند. برای برنامه‌های قابل حمل/باطری، مصرف برق ممکن است محدودیت فنی اولیه باشد. اما حتی سیستم‌های تغذیه‌شده خط نیز متوجه می‌شوند که مصرف برق عناصر پردازش سیگنال (آنالوگ یا دیجیتال) در نهایت میزان عملکرد سیستم را در یک ناحیه فیزیکی معین محدود می‌کنند.

روندهای فناوری و نوآوری

با توجه به این کشش برنامه ها برای افزایش عملکرد مبدل داده با سرعت بالا، صنعت با پیشرفت های مداوم در فناوری پاسخ داده است. فشار فناوری برای مبدل های پیشرفته داده با سرعت بالا ناشی از چندین عامل است: فن‌آوری‌های فرآیند، قانون مور و مبدل‌های داده –

صنعت نیمه‌رسانا سابقه قابل‌توجهی برای پیشرفت مداوم اسب بخار پردازش دیجیتال دارد. که اساساً با پیشرفت در پردازش ویفر به لیتوگرافی‌های ظریف‌تر هدایت می‌شود. ترانزیستورهای CMOS زیر میکرون عمیق سرعت سوئیچینگ بسیار بیشتری نسبت به پیشینیان خود دارند. کنترلرها، پردازنده‌های دیجیتال و FPGA را قادر می‌سازند تا با سرعت چند گیگاهرتز کار کنند.

مدارهای سیگنال مختلط مانند مبدل‌های داده نیز می‌توانند از این پیشرفت‌های لیتوگرافی بهره ببرند. و «قانون مور» را به سرعت‌های بالاتر ببرند، اما برای مدارهای سیگنال مختلط، جریمه‌ای وجود دارد.

فرآیندهای لیتوگرافی پیشرفته‌تر تمایل دارند با ولتاژهای تغذیه کمتر کار کنند.این به معنای نوسانات سیگنال کوچکتر در مدارهای آنالوگ است. که حفظ سیگنال های آنالوگ در بالای سطح نویز حرارتی را دشوارتر می کند. با قیمت کاهش دامنه دینامیکی سرعت افزایش می یابد.

معماری‌های پیشرفته

تکمیل کننده پیشرفت‌ها در فرآیندهای نیمه‌رسانا، در 20 سال گذشته موج‌های متعددی از نوآوری در معماری مبدل‌های داده با سرعت بالا دیده شده است. این به درک پهنای باند بیشتر و محدوده دینامیکی بیشتر با بهره‌وری انرژی قابل‌توجه کمک می‌کنند.

روش‌های مختلفی وجود دارد که به‌طور سنتی برای مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال با سرعت بالا استفاده می‌شود. از جمله فلاش، تاشو، interleaved و pipeline، که همچنان بسیار محبوب هستند. معماری هایی که به طور سنتی با برنامه های کاربردی با سرعت پایین تر مرتبط هستند، از جمله ثبت تقریب متوالی (SAR) و ∆-∑ که به طور خلاقانه ای برای استفاده با سرعت بالا سازگار شده اند، به آنها ملحق شده اند.

هر معماری مجموعه ای از مزایا و معایب خود را ارائه می دهد. برنامه های کاربردی خاص بر اساس این مبادلات، معماری های مورد علاقه خود را پیدا می کنند. برای DACهای با سرعت بالا، معماری انتخابی به ساختارهای حالت جریان سوئیچینگ گرایش دارد. اگرچه انواع مختلفی از آنها وجود دارد، و رویکردهای خازن سوئیچینگ به طور پیوسته سرعت خود را افزایش داده اند. اما هنوز هم در برخی از برنامه های کاربردی با سرعت بالا تعبیه شده محبوب هستند.

رویکردهای دیجیتالی

علاوه بر فرآیند و معماری، در طول سال‌ها، نوآوری‌های زیادی در تکنیک‌های مدار برای مبدل‌های داده با سرعت بالا وجود داشته است. رویکردهای کالیبراسیون ده‌ها سال است که وجود داشته است و در جبران عدم تطابق عناصر ذاتی در مدارهای مجتمع و امکان دسترسی مدارها به محدوده دینامیکی بالاتر بسیار مهم بوده است.

کالیبراسیون از حوزه تصحیح خطاهای استاتیک فراتر رفته است. و به طور فزاینده‌ای برای جبران غیرخطی‌های دینامیکی، از جمله خطاها و اعوجاج هارمونیک استفاده می‌شود. در مجموع، نوآوری‌ها در این زمینه‌ها، پیشرفت قابل ملاحظه‌ای در تبدیل داده‌ها با سرعت بالا داشته است.

پیاده‌سازی یک سیستم سیگنال مختلط باند پهن به چیزی بیش از مبدل داده مناسب نیاز دارد . این سیستم‌ها می‌توانند تقاضاهای سخت‌گیری را برای بخش‌های دیگر زنجیره سیگنال ایجاد کنند. باز هم، چالش این است که محدوده دینامیکی خوب را در یک پهنای باند وسیع درک کنیم. دریافت سیگنال بیشتر به داخل و خارج از دامنه دیجیتال برای استفاده از قدرت پردازش آنجا.

تهویه سیگنال پهن باند

در سیستم‌های متداول تک حامل، شرطی‌سازی سیگنال به معنای حذف سیگنال‌های ناخواسته در سریع‌ترین زمان ممکن و سپس تقویت سیگنال‌ مورد نظر است. این اغلب شامل فیلترهای انتخابی و سیستم‌های باند باریکی است که با سیگنال‌های مورد علاقه تنظیم می‌شوند.

این مدارهای تنظیم شده می توانند در تحقق بهره بسیار موثر باشند. در برخی موارد می توان از تکنیک های برنامه ریزی فرکانس برای اطمینان از اینکه هارمونیک ها یا سایر اسپارها از باند خارج می شوند استفاده کرد. سیستم های باند پهن نمی توانند از این تکنیک های باند باریک استفاده کنند. پس تحقق تقویت پهنای باند، در این سیستم ها می تواند بسیار چالش برانگیز باشد.

رابط‌های داده

واسط‌های CMOS معمولی نمی‌توانند از سرعت داده‌های بسیار بیشتر از 100 مگاهرتز پشتیبانی کنند . و رابط‌های داده نوسان دیفرانسیل ولتاژ پایین (LVDS) تا 800 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز کار می‌کنند. برای سرعت‌های داده بزرگ‌تر، می‌توان به رابط‌های اتوبوس متعدد یا رابط‌های SERDES تغییر مکان داد.

مبدل‌های داده معاصر از رابط‌های SERDES با حداکثر 12.5 GSPS (همانطور که در استاندارد JESD204B مشخص شده است) استفاده می‌کنند. از چندین خط داده می‌توان برای پشتیبانی از ترکیب‌های مختلف وضوح و سرعت در رابط مبدل استفاده کرد. این رابط‌ها می‌توانند در نوع خود کاملاً پیچیده باشند.

رابط کلاک (Clock interface)

پردازش سیگنال‌های با سرعت بالا نیز می‌تواند با توجه به کیفیت کلاک مورد استفاده در سیستم بسیار سخت باشد. لرزش/خطا در حوزه زمان، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، به نویز یا خطا در سیگنال تبدیل می‌شود.

برای پردازش سیگنال‌های بیشتر از 100 مگاهرتز، لرزش ساعت یا نویز فاز می‌تواند به یک عامل محدودکننده در محدوده دینامیکی قابل استفاده مبدل تبدیل شود. ممکن است ساعت‌های با کیفیت دیجیتال برای این نوع سیستم‌ها ناکافی باشند و نیاز به ساعت‌های با کارایی بالا داشته باشند.

گرایش به سیگنال‌های باند وسیع‌تر و سیستم‌های تعریف‌ شده توسط نرم‌افزار در حال افزایش است. و همچنین صنعت همچنان به راه‌های نوآورانه جدید برای ساخت مبدل‌های داده بهتر و سریع‌تر می‌پردازد و ابعاد پهنای باند، محدوده دینامیکی و بهره وری توان را به معیارهای جدید سوق میدهد.

در نهایت

همانطور که بیان کرده ایم مبدل های سرعت بالا، نوآوری های متعدد در تبدیل داده ها نه تنها باعث پیشرفت عملکرد در همه چیز از تصویربرداری پزشکی و ارتباطات سلولی گرفته تا صدا و تصویر مصرف کننده شده است، بلکه به ایجاد برنامه های کاربردی کاملاً جدید کمک کرده است. محصولاتی مانند دیتالاگر سرعت بالا هم از این دست مبدل ها هستند. برنا پایش با افتخار اعلام می کند که تا به امروز در ساخت دستگاه های دیتالاگر سرعت بالا به روز و موفق بوده است و محصولات این شرکت با قیمتی نازل با نمونه های خارجی در رقابت است.

شما می توانید با شماره 02191030516 و داخلی 1 برای مشاوره رایگان و اطلاعات بیشتر تماس بگیرید و با مشاهده محصولات برنا پایش بیشتر با ما آشنا شوید.