アナログデジタルコンバータ (ADC) の包括的ガイド
はじめに
アナログデジタルコンバータ (ADC) は、エレクトロニクスの分野における重要な要素であり、連続的に変化する信号のアナログ世界と、0と1のデジタル世界の間をつなぎます。ADCは、現実世界からの実際のアナログ信号を、コンピュータやデジタルシステムが理解して処理できるデジタルデータに変換することによって、最新技術において重要な役割を果たしています。我々の世界は本質的にアナログですが、デジタルシステムの処理能力は、以前は不可能と考えられていた方法でこれらの信号を理解し、変更し、利用することを可能にします。このため、この変換は不可欠です。本稿の目的は、読者にADC、その多数の形式、および各タイプの利点と欠点を完全に理解してもらうことです。
アナログデジタルコンバータ (ADC) について
アナログデジタルコンバータ (ADC) と呼ばれる複雑な装置は、デジタル信号処理に不可欠です。その主な仕事は、連続的な時間と振幅のアナログ信号を、デジタル信号と呼ばれる離散的な振幅のデジタル信号に変換することです。
図1 : ADCの動作方法
ADCが使用する変換プロセスには、サンプリング、量子化、およびデジタル符号化の3つの主要なステップが含まれます。
サンプリング: サンプリングは、変換プロセスの最初のステップです。この段階では、連続アナログ信号の離散時間間隔がサンプリングされて、信号振幅のスナップショットシーケンスが提供されます。サンプリング周波数とも呼ばれるサンプリングレートは、信号がサンプリングされる割合です。ナイキスト・シャノンの標本化定理は、信号を効果的に捕捉し、エイリアシングを防止するために、サンプリング周波数は、入力信号の最高周波数成分の少なくとも2倍でなければならないと述べています。
図2 : アナログ信号 (ADC) のサンプリング
量子化: 量子化はその次の段階です。サンプリングされた信号の連続振幅は、このフェーズの間に多数の離散レベルに分割されます。多くの場合、ビットで表されるADCの分解能によって、レベルの数が決まります。nビットADCには、2nの異なるレベルがあります。例えば、3ビットADCは、8 (23) の異なるレベルをもっています。実際のアナログ値と量子化されたデジタル値との間の不一致は、量子化誤差と呼ばれ、量子化プロセス中に生じます。この誤差を説明するために、「量子化ノイズ」という用語も使用されます。
図3 : アナログ信号の量子化 (ADC)
デジタル符号化: デジタル符号化は最終フェーズです。各量子化レベルには、この段階で個別のバイナリコードが与えらます。その結果、アナログ信号は、デジタルシステムによって処理することができるデジタル表現に変換されます。
図4 : アナログ信号の符号化 (ADC)
ADCの性能は、分解能、サンプリングレート、精度、直線性、消費電力など、多くの重要な要素によって決定されることを覚えておくことが大変重要です。ADCがアナログ値の幅にわたって生成することができる離散値の数は、分解能に依存します。ADCが入力信号をサンプリングする頻度は、サンプリングレートによって決定されます。線形性は、ADCの出力がその入力にどれだけ従うかを示しますが、精度は、出力が入力の実際の値にどれだけ近いかを示します。もう1つの重要な考慮事項は、特にバッテリー駆動装置の消費電力です。
デジタルシステムを扱う場合、これらの考え方と、それらがADCの性能にどのように影響するかを理解することが重要です。次のセクションでは、さまざまな種類のADC、その利点、欠点、および用途について説明します。
異なるタイプのADC
ADCにはさまざまな種類があり、それぞれがアナログ信号をデジタル信号に変換するための異なる技術を持っています。速度、精度、消費電力、コストなど、アプリケーションの正確なニーズが、使用する適切なADCを決定します。
| ADCタイプ | 分解能 | 速度 | 消費電力 | 複雑さ | アプリケーション |
| フラッシュADC | 低～中 | 非常に高い | 高 | 高 | 高速デジタルオシロスコープ、ビデオデジタル化、レーダー、広帯域無線 |
| SAR ADC | 中～高 | 中～高 | 低～中 | 低～中 | 産業用制御・計測、CMOSイメージング、オーディオ |
| シグマデルタADC | 高～非常に高い | 低～中 | 低～中 | 中～高 | 精密DMM、ハイエンドデータ取得、プロオーディオ |
| デュアルスロープADC | 高～非常に高い | 非常に低い | 低～中 | 中～高 | 精密DMMとパネルメータ |
| パイプラインADC | 中～高 | 高～非常に高い | 中～高 | 中～高 | デジタルビデオ、ソフトウェア無線、医療画像処理 |
| TDC ADC | 低～中 | 高～非常に高い | 中～高 | 高～非常に高い | 飛行時間センサ、LIDAR、素粒子物理学 |
フラッシュADC (パラレルADC)
仕組み: フラッシュADC内の各コンパレータは、入力信号を異なる基準電圧と比較します。符号化回路は、コンパレータ出力からデータを受信し、デジタル出力を生成します。
利点: フラッシュADCの速度は、その主な利点です。1回の操作で変換を完了するため、最も高速なADCの一種です。
短所: 欠点は、高分解能の変換には多くのコンパレータが必要となるため、高価で電力を大量に消費することです。そのサイズと過剰な電力消費のために、高分解能アプリケーションにも適していません。
アプリケーション: フラッシュADCは、速度が重要なオシロスコープやレーダーなどの機器で頻繁に使用されています。それらは高速変換能力があるため、迅速で一過性の信号を記録するのに最適です。
逐次近似レジスタ (SAR) ADC:
仕組み: 入力電圧は、二分探索技術を用いてSAR ADCによって検出されます。最下位ビット (LSB) は、最上位ビット (MSB) の後に置かれます。
利点: より高い分解能では、SAR ADCは、電力およびサイズの点でフラッシュADCよりも効果的です。消費電力、処理速度、および分解能のバランスに優れています。
短所: SAR ADCの主な欠点は、その速度です。これらは一度にすべてを変換するのではなく一連のステップで変換を実行するため、フラッシュADCよりも低速です。
アプリケーション: 電力管理システム、通信デバイス、およびデータ収集システムはすべて、SAR ADCを頻繁に使用します。これは、速度、分解能、消費電力の合理的な組み合わせを提供するため、さまざまなアプリケーションに適しています。
シグマデルタ (Σ-Δ) ADC:
仕組み: 分解能および精度を向上させるために、シグマデルタADCは、ノイズ整形およびオーバーサンプリングのための技術を採用しています。その後、フィルタが出力に適用され、データレートをより許容可能なレベルに下げます。
利点: それらは非常に正確であるため、シグマデルタADCはオーディオアプリケーションで頻繁に使用されます。優れた分解能と精度、およびノイズシェーピング機能により、精密測定やオーディオ圧縮に最適です。
短所: シグマデルタADCの主な欠点は、その速度です。それらは、SARおよびフラッシュADCよりも動作が遅くなります。オーバーサンプリング後に、データレートを下げるために高度なデジタルフィルタも必要です。
アプリケーション: シグマデルタADCは、高精度測定およびオーディオアプリケーションで頻繁に使用されます。優れた分解能、精度、ノイズシェーピング機能により、オーディオのエンコードや正確な測定に最適です。
デュアルスロープADC
仕組み: デュアルスロープADCは、まず入力信号を一定時間積分し、その後、設定されたレートで信号をゼロに減衰します。デジタル出力を生成するために、入力電圧に比例する減衰時間がモニタされます。
利点: 低速ですが、デュアルスロープADCは、優れた精度と効果的なノイズ除去を実現します。また、それらは非常に線形でノイズに強いため、正確な測定に最適です。
短所: デュアルスロープADCの主な欠点は、その速度です。これらは最も低速なADCです。正確な時計も必要なため、実行は困難です。
アプリケーション: デジタルマルチメータやその他の測定機器は、その優れた精度と強いノイズ除去により、デュアルスロープADCを頻繁に採用しています。さらに、変換速度が重要な要素ではない場合にも利用されます。
パイプラインADC:
仕組み: 変換プロセスは、パイプラインADCによって何段階かに分割され、各ステップは変換の1ビットを処理します。段階間のパイプラインのような接続により、高速で高分解能の変換が可能になります。パイプラインADCは、非常に高速で動作する特殊な構成要素を必要とすることなく高い変換速度を達成することができるので、高速アプリケーションで頻繁に選ばれています。
利点: 高速および高分解能を必要とするアプリケーションは、パイプラインADCから恩恵を得ることができます。パイプラインADCは、速度と分解能の適切な組み合わせを実現します。
短所: パイプラインADCの複雑さは、ほとんどの場合欠点です。高度なデジタル誤差訂正システムが必要です。また、他の種類のADCと比較して、より多くの電力を使用します。
アプリケーション: デジタルビデオ処理、医療用画像、および高速データ収集システムなど、高速で高分解能の変換を必要とするアプリケーションは、パイプラインADCを採用しています。
タイム・デジタルコンバータ (TDC):
仕組み: 入力信号の振幅を測定する代わりに、TDCはその時間または周波数を測定します。これらは、重要な要素が発生のタイミングまたは信号の周波数である場合に頻繁に使用されます。
利点: TDCは、イベントのタイミングや信号の周波数が重要な要素となる場合に最適です。さらに、それらは振幅ノイズに対して耐性があります。
短所: TDCの主な欠点は、信号の大きさが重要な要素である場合には適していないことです。高速クロックを必要とするため、実装が困難です。
アプリケーション: 飛行時間測定、周波数カウンタ、および超音波システムのような、イベントの時間または信号の周波数が重要な要素であるアプリケーションでは、TDCが利用されます。
利用するのに最適なADCの形式は、アプリケーションの特定の要件によって異なり、各タイプには独自の長所と短所があります。
アプリケーションに適したADCの選択
アプリケーションに最適なアナログデジタルコンバータ (ADC) の設計上必須な選択では、システムに求められる要求と、さまざまなADC特性に関連するトレードオフを完全に把握する必要があります。ここでは、考慮すべき重要な点をいくつか示します。
分解能: ADCがアナログ値の範囲全体にわたって生成できる離散値の量は、分解能と呼ばれます。前述したように、これはビット単位でよく記述されます。ADCの感度と分解能は強く相関しており、より大きな分解能は、ADCが入力信号の微小な変化を検出することを可能にします。
サンプリングレート: ADCがアナログ信号からサンプルを取得するペースは、そのサンプリングレートまたはサンプリング周波数として知られています。サンプリングレートは、信号の最高周波数成分の2倍でなければなりません。サンプリングレートが低すぎると、信号のデジタル表現がエイリアシングによって歪む可能性があります。
正確さ: ADCの場合、正確さとはデジタル出力と実際のアナログ入力がどれだけ一致しているかを指します。通常、フルスケール範囲の一部として記述されます。正確さに影響を与える要素には、量子化誤差、微分非線形性 (DNL)、積分非線形性 (INL) などがあります。
直線性: 最小から最大のアナログ入力までのステップサイズの一貫性は、ADCの線形性の尺度になります。微分非線形性 (DNL) と積分非線形性 (INL) は、それを指定するために一般的に使用される2つの因子です。INLが直線からの伝達関数の逸脱であるのに対して、DNLは2つの連続するコード変更間の最適ステップサイズからの逸脱です。
消費電力: 特にバッテリー駆動の装置では、消費電力は重要な検討事項です。ADCは多くの電力を使用する可能性があり、電力消費は通常、分解能およびサンプリングレートとともに増加します。したがって、電力予算を超えることなく、アプリケーションのパフォーマンスニーズを満たすADCを選択することが重要です。
コスト: 特に商用デバイスでは、ADCの価格が決定的な問題となる可能性があります。高いスループットと分解能を備えたADCは、多くの場合、より高価になります。コストとパフォーマンスのバランスを見つけることは非常に重要です。
結論
エレクトロニクスの世界で不可欠なものであるアナログデジタルコンバータ (ADC) は、物理的なアナログ信号をデジタルシステムで処理できるデジタルデータに変換できます。デジタルシステムを設計する際に賢明な選択をするには、ADCとその動作概念、および利用可能なさまざまな種類を認識する必要があります。
フラッシュ、SAR、シグマデルタ、デュアルスロープ、パイプライン、およびタイム / デジタルを含むすべての形式のADCには、特定の利点と欠点、および特定の用途があります。これらには、迅速なデータ収集システム、正確な測定ツール、オーディオエンコーディングなどが含まれます。ADCのタイプを選択する前に、分解能、サンプルレート、正確さ、直線性、消費電力、およびコストをすべて慎重に考慮する必要があります。
ADCは、技術とデジタル処理の限界を押し広げ続ける中で、実世界のデータの分析、修正、使用において重要な部分であり続けるでしょう。高速通信システム、バッテリー駆動のIoT装置、高精度測定機器などのアプリケーションに適したADCがあります。これらのコンバータの複雑さを理解すれば、デジタル時代の革新と進歩を促進し、理想的な設計の選択を行うためにより多くの態勢を整えられるでしょう。
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