Шумы AD7714-5 Опции

[Didro]

Добрый день,

в ходе изучения спецификации АЦП AD7714-5 (раздел AD7714-5 Output Noise) возник вопрос по оценке шумов АЦП – не понятно какой минимальный по амплитуде сигнал теоретически мы можем промерять с помощью AD7714-5.

1. No-missing-codes performance у этого АЦП равно 24 бит. Правильно ли я понимаю, что это, так сказать, точность by-design ? Т.е. NMC 24 бит означает только то, что физически АЦП сохраняет оцифрованные значения в регистре 24 бит ?

2. Далее приводится таблица «output rms noise and effective resolution» - т.е. полный среднеквадратический шум самого АЦП (шумы полупроводниковых элементов + шумы квантования) и некое эффективное разрешение.



Как видно из таблицы – ни при каких допустимых значениях усиления и частоты фильтрации разрешение 24 и даже 23.5 получить нельзя. Это нормально ?

3. Кроме того, отдельно сказано:

It should be noted that effective resolution is not calculated using peak-to-peak output noise numbers. Peak-to-peak noise numbers can be up to 6.6 times the rms numbers while effective resolution numbers based on peak-to-peak noise can be 2.5 bits below the effective resolution based on rms noise as quoted in the tables.

Т.е. полный размах шума в 6.6 раз выше, чем табличные значения, а разрешение на 2.5 бита меньше.

4. Вопрос – при диапазоне измерения 0…17 млВ. можно ли хотя бы теоретически померить нановольты, используя AD7714 ?
Собственно «расчет»:

1. Опорное напряжение: 2.5 В, Усиление 128, Частота фильтрации (Filter First Notch & O/P Data Rate) 2 Гц
2. Максимум сигнала: 2,5В/128 = 0,01953125 В = 19531 мкВ
3. Эффективное разрешение по таблице – 18 бит
4. Разрешение в вольтах: 19531 мкВ / (2^18) = 0,074505806 мкВ = 74 нВ
5. При этом полный размах шума равен: 6.6*0.14мкВ = 0,924 мкВ

Поэтому если учитывать полный размах шума, то меньше ~1 мкВ данное АЦП в обозначенных условиях померить теоретически не может.

Правильно ли я интерпретирую спецификацию ?

Спасибо

[Herz]

По-моему, совершенно верно интерпретируете. Но есть методы статобработки, (накопления и т.п). Реально можно "измерить" (хотя, строго, измерением я бы это уже не назвал) и величины, много меньшие рассчитанной. Если время есть. И если сигнал периодический, конечно. Тут как-то обсуждались эти аспекты, не искали?

Сообщение отредактировал Herz - Nov 28 2009, 21:45

[Didro]

По-моему, совершенно верно интерпретируете. Но есть методы статобработки, (накопления и т.п). Реально можно "измерить" (хотя, строго, измерением я бы это уже не назвал) и величины, много меньшие рассчитанной. Если время есть. И если сигнал периодический, конечно. Тут как-то обсуждались эти аспекты, не искали?

Понятно, спасибо за ответ.
Я понимаю, что при стационарном сигнале\известном распределении шума можно "повысить" точность измерения за счет фильтрации\усреднения . Сообщения про сигнал\шум и измерение малых величин нашел, читаю.

Если время есть. И если сигнал периодический, конечно.

Для примера возьмем область измерения температуры с помощью термопар. Например, диапазон ПП-термопары 16 млВ на 1600 град. Т.е. один градус получается в среднем (с учетом не линейности передаточной характеристики тремопары) 6 мкВ. Чтобы мерять десятую градуса требуется 600 нВ - задача взята не из вакуума, измерение температуры с такой точностью требуется в некоторых экспериментах материаловедов, например.
При этом частота изменения сигнала ~ 1-2 Гц. Периодический ли сигнал ? - не совсем понял ваш вопрос, конечно спектр данного сигнала будет отличаться от синусойды, но это и не белый шум. Или имелось в виду, что сигнал должен быть постоянен во времени, стационарен ?

В тоже время существуют такие приборы, как, например, Нановольтметр / микроомметр (Agilent Technologies):

• Чувствительность100 пВ/100 нОм
• Уровень шума 1,3 нВ (СКЗ)/8 нВ (размах)

Как можно добится таких значений ? На первый взгляд, здесь явно качественно другой уровень - т.е. не просто постобработка с какого-то АЦП аналога AD7714.

Спасибо

[Alexashka]

В тоже время существуют такие приборы, как, например, Нановольтметр / микроомметр (Agilent Technologies):
Как можно добится таких значений ? На первый взгляд, здесь явно качественно другой уровень - т.е. не просто постобработка с какого-то АЦП аналога AD7714.

Спасибо

Сам не проверял, но простое сравнение показывает: для Вашего АЦП (К=128, Полоса=2Гц, En=0,14мкВ) имеем спектральную плотность шума около 100нВ/sqrt(Гц). У малошумящего операционника эта величина порядка единиц нВ/sqrt(Гц). Возможно что если вместо встроенного усилителя применить малошумящий внешний, приведенный шум можно уменьшить на порядок. (?) Если не прав, поправьте

[Tanya]

Сам не проверял, но простое сравнение показывает: для Вашего АЦП (К=128, Полоса=2Гц, En=0,14мкВ) имеем спектральную плотность шума около 100нВ/sqrt(Гц). У малошумящего операционника эта величина порядка единиц нВ/sqrt(Гц). Возможно что если вместо встроенного усилителя применить малошумящий внешний, приведенный шум можно уменьшить на порядок. (?) Если не прав, поправьте

Срочно сообщите тип этого операционника. В этом диапазоне частот...

[Alexashka]

Срочно сообщите тип этого операционника. В этом диапазоне частот...

Ну хотябы взять OPA211 (если потребление в 4ма не пугает):
LOW VOLTAGE NOISE: 1.1nV/Hz at 1kHz
и
INPUT VOLTAGE NOISE: 80nVPP (0.1Hz to 10Hz)
80 нВ от пика до пика! кстати я ошибся у АЦП все даже хуже, если взять полосу 0,5 Гц по таблице (я взял не полосу а частоту выходных сэмплов =2Гц)

[Tanya]

Ну хотябы взять OPA211 (если потребление в 4ма не пугает):
LOW VOLTAGE NOISE: 1.1nV/Hz at 1kHz
и
INPUT VOLTAGE NOISE: 80nVPP (0.1Hz to 10Hz)
80 нВ от пика до пика! кстати я ошибся у АЦП все даже хуже, если взять полосу 0,5 Гц по таблице (я взял не полосу а частоту выходных сэмплов =2Гц)

Вот и не сходятся цифры Ваши (1 и 80). При низких частотах плотность шума не есть константа. Зачем бы тогда делали zero-drift ОУ, у которых плотность шума больше?
Мне также нравится ad797

[Alexashka]

Вот и не сходятся цифры Ваши (1 и 80). При низких частотах плотность шума не есть константа. Зачем бы тогда делали zero-drift ОУ, у которых плотность шума больше?
Мне также нравится ad797

Цифры не мои. Я их из даташита на ОУ привел
Я знаю что плотность шума не есть константа, и ее обычно не указывают на низких частотах. Т.к проще указать интегральное напряжение шумов в полосе. Для данного ОУ напряжение шумов в полосе 10Гц (даже при том что она больше чем у приведенного АЦП в 20 раз!) гораздо меньше - 80нВ против 900нВ (пик-пик)

[Tanya]

Цифры не мои. Я их из даташита на ОУ привел
Я знаю что плотность шума не есть константа

Ну и хорошо. Успокоили.... А зачем было тогда приводить плотность шумов за corner frequency?

[Alexashka]

Ну и хорошо. Успокоили.... А зачем было тогда приводить плотность шумов за corner frequency?

Сам не знаю Просто цифра понравилась 1,1 нВ.
ЗЫ. А по существу какиенить возражения есть?

И ещё Вам такой же опорник понадобится, и резисторы соответствующие с малыми избыточными шумами

Да не вопрос, опорник делается из того же ОУ. Резисторы- тонкопленочные (например Vishay http://www.ecomal.ru/pages/posts/smnh--EDE...AE-foil.225.php -точность 0.005% . Если ставить старые советские углеродные резисторы, то явно будут проблемы)

[Tanya]

Сам не знаю Просто цифра понравилась 1,1 нВ.
ЗЫ. А по существу какиенить возражения есть?

А вот поинтересуйтесь, как такие шумы измеряют - это описано в даташите на ad797 и еще, наверняка, в других местах.
У него шум - 0.9.
Надо долго-долго держать в термостате и потом быстро измерять, чтобы дрейф временной и температурный не был виден.
Поэтому в АЦП, которые Вы так хотите усовершенствовать, стоят усилители с прерыванием. И с соответствующим шумом.
Вот соберите реальный макет и доложите дрейф за час. С внешним и внутренним ОУ.

[Alexashka]

А вот поинтересуйтесь, как такие шумы измеряют - это описано в даташите на ad797 и еще, наверняка, в других местах.
У него шум - 0.9.
Надо долго-долго держать в термостате и потом быстро измерять, чтобы дрейф временной и температурный не был виден.
Поэтому в АЦП, которые Вы так хотите усовершенствовать, стоят усилители с прерыванием. И с соответствующим шумом.
Вот соберите реальный макет и доложите дрейф за час. С внешним и внутренним ОУ.

Давайте конкретными цифрами оперировать. Если Вы говорите про температурный дрейф, то у данного АЦП он 0.3мкВ/*С, у OPA211 кот.я приводил -он 0.35мкВ/*C соответственно. Как видно небольшая разница. Да, в АЦП можно калибровкой устранить эту ошибку, но такую калибровку нетрудно сделать и для ОУ -закорачиваем вход на землю и замеряем постоянку на выходе (тем же АЦП). Затем вычитаем это значение из последующих результатов.
И еще, где в даташите на AD7714 сказано про внутренний усилитель с прерыванием? И почему у него темп.друеф такойже как у простого ОУ без прерывания?

ЗЫ. Я так понимаю что в более новых моделях АЦП (AD7730-7731) аналог пошел по другому пути- коммутация питания внешнего моста -не сказал бы что это проще для пользователя. Однако, по всей видимости, это позволяет поднять итак не очень высокие показатели АЦП.

[Tanya]

Давайте конкретными цифрами оперировать.
Да, в АЦП можно калибровкой устранить эту ошибку, но такую калибровку нетрудно сделать и для ОУ -закорачиваем вход на землю и замеряем постоянку на выходе (тем же АЦП). Затем вычитаем это значение из последующих результатов.
И еще, где в даташите на AD7714 сказано про внутренний усилитель с прерыванием? И почему у него темп.друеф такойже как у простого ОУ без прерывания?

The AD7714 uses chopper stabilization techniques to minimize
input offset drift. Charge injection in the analog switches and
dc leakage currents at the sampling node are the primary
sources of offset voltage drift in the converter. The dc input
leakage current is essentially independent of the selected gain.
Gain drift within the converter depends primarily upon the
temperature tracking of the internal capacitors. It is not af-
fected by leakage currents.
Measurement errors due to offset drift or gain drift can be elimi-
nated at any time by recalibrating the converter or by operating
the part in the background calibration mode. Using the system
calibration mode can also minimize offset and gain errors in the
signal conditioning circuitry. Integral and differential linearity
errors are not significantly affected by temperature changes.