Przetworniki SAR vs Delta-Sigma podstawowe różnice ADC
Przetworniki SAR vs Delta-Sigma podstawowe różnice ADC
W świecie elektroniki większość sygnałów z czujników np. temperatura, światło, dźwięk ma charakter analogowy ciągły w czasie i wartościach. Z kolei mikrokontrolery i układy cyfrowe „rozumieją” tylko sygnały dwustanowe 0 i 1. Aby połączyć te dwa światy, stosuje się przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), które zamieniają ciągłe napięcie na dyskretną wartość liczbową. Przykładowo 10-bitowy ADC o zakresie 0 – 5 V przypisze napięciu ~2,5 V wartość ~512 bo 2,5 V to połowa zakresu 5 V, a 10 bitów daje 1024 możliwe poziomy. Istnieje kilka architektur ADC m.in. SAR, czyli sukcesywna aproksymacja i sigma-delta (ΔΣ) które różnią się szybkością działania i osiąganą dokładnością. Poniżej wyjaśniamy, czym charakteryzują się te dwa popularne typy przetworników oraz kiedy warto każdy z nich stosować.
Przetwornik SAR Successive Approximation Register
Schemat blokowy przetwornika SAR: Wewnątrz SAR znajdują się m.in. układ próbkujący (S/H), komparator, wewnętrzny DAC i logika sukcesywnej aproksymacji. Przetwornik SAR ustala wynik cyfrowy metodą kolejnych przybliżeń „zgaduje” wartość bit po bicie. Najpierw sprawdza najwyższy bit porównuje napięcie wejściowe z połową zakresu przez DAC; następnie kolejne bity, dzieląc zakres na coraz mniejsze części, aż do uzyskania pełnej rozdzielczości. Taki algorytm przypomina grę w ciepło-zimno, gdzie ADC zadaje serii pytań typu: „czy sygnał jest większy niż połowa zakresu? ćwierć zakresu?” itd., zawężając przedział. Dzięki tej technice SAR potrzebuje tylko N kroków dla N-bitowej konwersji, co czyni go bardzo szybkim. Typowe przetworniki SAR osiągają od 8 do 16 bitów rozdzielczości i mogą pracować z wysokimi częstotliwościami próbkowania nawet miliony próbek na sekundę. Zalety SAR to właśnie szybkie działanie niewielkie opóźnienie konwersji oraz stosunkowo prosty układ, kosztem nieco niższej precyzji niż w delta-sigma. Ze względu na dobry kompromis między szybkością, rozdzielczością a poborem mocy, przetworniki SAR stały się najpopularniejsze i spotkamy je w większości mikrokontrolerów np. AVR w Arduino Uno ma 10-bitowy SAR, STM32 zwykle 12-bitowy. Sprawdzają się w ogólnych zastosowaniach: odczyt szybkozmiennych sygnałów z wielu czujników, sterowanie analogowe potencjometry, joysticki czy akwizycja danych w systemach embedded wszędzie tam, gdzie ważna jest szybkość i umiarkowana dokładność pomiaru.
Przetwornik delta-sigma ΣΔ
Schemat blokowy przetwornika delta-sigma: Składa się z modulatora ΔΣ nadpróbkującego sygnał oraz filtra cyfrowego/decymatora obniżającego efektywną częstotliwość próbkowania. W przeciwieństwie do SAR, konwerter sigma-delta dokonuje bardzo szybkiego próbkowania wejścia np. setki kHz lub MHz, ale zamiast od razu dawać wynik dla każdej próbki wewnętrzny modulator 1-bit generuje strumień bitów proporcjonalny do poziomu sygnału. Następnie cyfrowy filtr wylicza z tego strumienia uśrednioną wartość i udostępnia ją jako wynik o wysokiej rozdzielczości. Innymi słowy, delta-sigma mierzy sygnał wiele razy i sprytnie uśrednia, dzięki czemu eliminuje szum i osiąga bardzo wysoką dokładność. Przetworniki ΔΣ oferują rozdzielczości rzędu 16, 18 a nawet 24 bitów jeśli spotkasz ADC powyżej 16 bit to niemal na pewno sigma-delta. Ich wadą jest mniejsza szybkość i opóźnienie: potrzeba np. kilkuset próbek wewnętrznych, by otrzymać jeden wynik wyjściowy, więc efektywna częstotliwość próbkowania bywa ograniczona do kilkuset Hz – kilka kHz. Po zmianie sygnału wejściowego albo przełączeniu kanału delta-sigma potrzebuje chwili na „ustabilizowanie” wyniku, bo filtr musi zapełnić nowe próbki. Dlatego konwertery ΔΣ nadają się głównie do pomiarów wolnozmiennych sygnałów. Zastosowania: wszędzie tam, gdzie priorytetem jest najwyższa precyzja, a czas nie jest krytyczny. Przykłady to wagi elektroniczne, termometry i czujniki laboratoryjne, mierniki napięć, przetworniki ciśnienia itp. często wymagające rozdzielczości 20+ bit i niskiego szumu. Również przetworniki audio (kodeki A/C w sprzęcie hi-fi) wykorzystują architekturę sigma-delta dla wysokiej jakości dźwięku. W praktyce układy ΔΣ spotykamy jako zewnętrzne moduły ADC podłączane do mikroprocesora np. popularny 16-bitowy ADS1115 na I²C czy 24-bitowy ADS124S08 od TI to właśnie delta-sigma. Istnieją też specjalizowane mikrokontrolery z wbudowanym ADC sigma-delta np. do aplikacji medycznych, ale klasyczne MCU AVR, STM32, ESP32 itp. korzystają głównie z SAR.
Porównanie SAR vs. delta-sigma
Podsumowując, SAR i ΔΣ to dwa różne podejścia do tego samego zadania konwersji analogowego sygnału na cyfrowy kod. Poniżej zestawiamy ich podstawowe cechy:
| Cecha | SAR ADC (sukcesywna aproksymacja) | Delta-Sigma ADC (ΣΔ) |
|---|---|---|
| Rozdzielczość | Zwykle 8–16 bit (spotykane 10–12 bit w MCU). | Bardzo wysoka: 16–24 bit typowo. |
| Szybkość próbkowania | Wysoka – setki kHz do wielu MHz (wynik natychmiast po konwersji). | Niska – od kilku Hz do kilku kHz efektywnego odczytu (opóźnienie przez filtr). |
| Dokładność i szum | Niezła liniowość, lecz rozdzielczość ograniczona dopasowaniem komponentów (wyższy szum quantyzacji). | Świetna dokładność dzięki nadpróbkowaniu i uśrednieniu – bardzo niski szum własny sygnału. |
| Zastosowania | Szybkie pomiary, wiele kanałów, sterowanie w czasie rzeczywistym. Typowo w mikrokontrolerach, przetwornikach wbudowanych (Arduino, STM32 itp.) oraz ogólnych ADC (np. MCP3008 – 10-bit SPI). | Precyzyjne pomiary statyczne i czujniki wysokiej dokładności: wagi tensometryczne (np. moduł HX711 24-bit), mierniki, data loggery, audio (kodeki). Rzadziej wewnątrz MCU, częściej jako osobny układ (np. ADS1115, ADS124S08). |
Podsumowanie
Jeśli zależy Ci na szybkich i prostych pomiarach, idealny będzie przetwornik SAR znajdziesz go praktycznie w każdym mikrokontrolerze, jak AVR czy STM32. Gdy jednak liczy się dokładność i precyzja, np. przy ważeniu czy pomiarze napięć referencyjnych, lepszym wyborem będzie ADC delta-sigma nawet jeśli działa nieco wolniej. Znając te różnice, łatwiej dobierzesz przetwornik do swojego projektu i unikniesz problemów z niedokładnymi odczytami czy zbyt wolną konwersją.
Prezentowaną w artykule elektronikę znajdziesz oczywiście w naszym sklepie 👉 sklep.msalamon.pl 👈Zapraszamy również na nasze social media, gdzie na bieżąco informujemy o nowych produktach oraz o najciekawszych promocjach 😎👇
