スポンサーサイト

上記の広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。
新しい記事を書く事で広告が消せます。


ADCの並列動作 その1

トランジスタ技術2009年1月号に「汎用マイコンで500kHzサンプリングとストレージ動作を実現 8パラAVRでA-D変換するUSBオシロスコープ」という記事があります。このトラ技の記事では、A/Dコンバータを並列動作させることによって、見かけ上サンプリングレートが高速のA/Dコンバータとするというテクニックを使っています。
しかし、ADCの入力回路にはローパスフィルタとしての特性があるため、無制限にサンプリングレートが上げられるわけではありません。

今回は、AVRのA/Dコンバータの入力回路のモデルを作成し、交流解析を行いました。

002_20090111215258.png 003_20090111215326.png


トラ技2009年1月号の8パラAVRオシロスコープ


トランジスタ技術2009年1月号に「汎用マイコンで500kHzサンプリングとストレージ動作を実現 8パラAVRでA-D変換するUSBオシロスコープ」という記事があります。
PICやAVRといったマイコンには、A/Dコンバータモジュールを内蔵したモデルが存在します。しかしながら、これらのA/Dコンバータは変換時間として10us~100us程度を要求するため、高速なサンプリングを行うことができません。

トラ技の「8パラAVRでA-D変換するUSBオシロスコープ」の記事では、A/Dコンバータを持つAVRを8個並列に接続し、位相をずらしてサンプリングすることによりサンプリングレートを高めたUSBオシロスコープの製作を行っています。

この記事に対して私は、次のような疑問を持ちました。
  • ADC並列化による高速化に限度はないのか
  • あるとすれば、いかなる原因であろうか


これらの疑問に答える鍵となるのは、A/Dコンバータの入力部分であるサンプル&ホールド(S/H)回路です。

逐次比較型(SAR)A/Dコンバータ


逐次比較型のA/Dコンバータは、その構造上、変換中にアナログ入力電圧が変動すると正しく変換を行うことができません。そこで、変換の前段に入力電圧を保持するためのS/H回路を持っています。
以下に示すのが、ATmega644Pのデータシートから引用したA/Dコンバータの入力回路です。


001_20090111215235.png
fig.1: AVRのS/H回路


この図から読み取れるとおり、A/Dコンバータの入力回路は(アナログマルチプレクサやサンプリングスイッチの)抵抗とサンプリングコンデンサによって、ローパスフィルタが構成されています。したがって、S/H回路自体が周波数特性を持っていることになります。

また、だいぶ昔のエントリになりますが、PICのA/Dコンバータの入力回路に関しては、A/Dコンバータ その1その2で書きました。参考にしてください。

サンプリングレートと帯域


デジタルオシロスコープの動作速度を表すパラメータとして、サンプリングレートがよく用いられます。一方で、アナログオシロスコープにはサンプリングレートという概念はなく、速度は帯域で表されます。
ところが、デジタルオシロスコープといえど入力段はアナログ回路です。したがって、この入力段の回路にも周波数特性があるはずです。

S/H回路の周波数特性


fig.1で挙げたAVRのデータシート上の入力回路をLTspiceを用いたシミュレーションにかけてみました。


002_20090111215258.png
fig.2: AVRのADC入力段スケマティック


入力端子のバイアス電流源は、信号源の出力インピーダンスが低いとして無視し、サンプリングスイッチは閉じたままという条件で交流解析を行いました。
(シミュレータ上で並列化することを想定して、ボルテージフォロワとアナログマルチプレクサを追加してありますが、今回は特に利用していません。)


003_20090111215326.png
fig.3: 出力電圧(実線)と位相(破線)


上のグラフがサンプリングコンデンサの電圧です。
当然ですが、普通のローパスフィルタです。


004_20090111215334.png
fig.4: サンプリングコンデンサの電圧と入力信号の間の誤差


fig.4は、入力信号と読み取った信号の誤差をあらわしたものです。縦軸はログスケールで単位はVです。

ADCの交流特性


このように、A/Dコンバータの入力回路にも通過可能な帯域が存在します。しかしながら、同時に通常のサンプリングレートによる制約も存在します。
最終的なADCの交流特性は、これら二つの要因のうちより低周波側から主要になる方に制約されるであろうと考えられます。

このため、A/Dコンバータを並列接続することはサンプリングレートの向上には貢献しますが、一方で入力回路自体が変わっていないので、並列数を増やしていくといずれローパスフィルタの帯域の壁にぶつかるだろう事が予想されます。

関連エントリ




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


参考文献




フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。


tag: LTspice A/Dコンバータ 

comment

Secret

FC2カウンター
カテゴリ
ユーザータグ

LTspiceAkaiKKRmachikaneyamaScilabKKRPSoC強磁性CPAPICOPアンプecalj状態密度モンテカルロ解析常微分方程式トランジスタodeDOSインターフェースPDS5022定電流スイッチング回路分散関係半導体シェルスクリプトレベルシフト乱数HP6632A可変抵抗トランジスタ技術R6452AI2C温度解析ブレッドボードバンドギャップ確率論反強磁性セミナーバンド構造数値積分偏微分方程式非線形方程式ソルバ熱設計絶縁三端子レギュレータISO-I2CA/DコンバータシュミットトリガフォトカプラカオスPWscfGW近似LM358LEDマフィンティン半径発振回路USB数値微分TL431PC817Cサーボアナログスイッチ直流動作点解析補間カレントミラー74HC4053bzqltyチョッパアンプFFT2ちゃんねる開発環境量子力学単振り子電子負荷VESTAQuantumESPRESSO標準ロジックパラメトリック解析ブラべ格子イジング模型アセンブラLDA基本並進ベクトルBSchSMPTLP621失敗談六方最密充填構造コバルト位相図QSGWGGAスイッチト・キャパシタewidth状態方程式VCAキュリー温度繰り返し最適化仮想結晶近似不規則合金熱伝導gfortran相対論抵抗FETMaximaQuantum_ESPRESSOcygwinランダムウォークラプラス方程式スピン軌道相互作用スレーターポーリング曲線マントルシュレディンガー方程式ZnO自動計測QNAP固有値問題ダイヤモンドデータロガー井戸型ポテンシャルTLP552CIFxcrysdenゼーベック係数熱力学条件分岐MCU最小値UPS格子比熱最大値ガイガー管平均場近似過渡解析Writer509スーパーセルFXA-7020ZR差し込みグラフ第一原理計算テスタ起電力OpenMP三角波ubuntuLM555NE555ブラウン運動詰め回路ハーフメタルawkfsolveUbuntuフェルミ面TLP521トランスMAS830LPGACK1026OPA2277フィルタトレーナーバトルEAGLEノコギリ波負帰還安定性ナイキスト線図MBEP-10LMC6622SC1815CapSenseAACircuitPIC16F785入出力固定スピンモーメントFSMTeX結晶磁気異方性全エネルギーc/a合金multiplotgnuplot非線型方程式ソルバL10構造正規分布等高線ジバニャン方程式ヒストグラム確率論初期値interp1fcc面心立方構造ウィグナーザイツ胞半金属デバイ模型磁気モーメント電荷密度重積分SIC不純物問題擬ポテンシャル状態図cif2cellPWgui二相共存ウルツ鉱構造edeltquantumESPRESSOフォノンリジッドバンド模型スワップ領域BaO岩塩構造ルチル構造マテリアルデザインspecx.fフラクタルマンデルブロ集合キーボードRealforceクーロン散乱三次元疎行列縮退化学反応関数フィッティング最小二乗法Excel直流解析PCTS-110TS-112日本語パラメータ・モデル等価回路モデル文字列ポケモンGO熱拡散方程式HiLAPW両対数グラフ片対数グラフ陰解法Crank-Nicolson法ifort境界条件連立一次方程式グラフの分割軸ラベルヒストグラム不規則局所モーメントスーパーリーグ円周率Gimp凡例線種シンボルトラックボール

最新コメント
リンク

にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ
上記広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。新しい記事を書くことで広告を消せます。