FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
I produttori di digitalizzatori spesso evidenziano specifiche tecniche “pubblicitarie” come banda passante, risoluzione e frequenza di campionamento. Sebbene tali specifiche siano spacciate come un’indicazione di qualità dello strumento, purtroppo hanno in realtà un impatto limitato sulla fedeltà dello strumento in moltissime applicazioni.
E come possiamo allora confrontare tra loro le specifiche dei digitalizzatori?
Per prima cosa cerchiamo di confrontare le mele con le mele, e non con le arance. Purtroppo ciò non è sempre possibile, perché ogni costruttore definisce i valori riportate nelle caratteristiche tecniche a modo suo, e di solito per mettere in evidenza la specifiche che vuole essere enfatizzata a livello di marketing.
Non ci resta allora che armarci di pazienza e verificare quali sono le condizioni di validità delle specifiche di nostro interesse tenendo presente quale saranno le condizioni operative più probabili per lo strumento che siamo interessati ad acquistare.
Ecco un po’ di terminologia tipica usata dai costruttori che è il caso di tener sempre presenta nella valutazione di un digitalizzatore.
La risoluzione mira a definire il dettaglio minimo che può essere distinto dal digitalizzatore. Di solito indicato come numero di bit, indica il numero di livello discreti usato per codificare il segnale in ingresso che viene convertito in forma numerica.
Per esempio, una risoluzione di 8, 10, 12 o 14 bit indica rispettivamente la capacità del digitalizzatore di discriminare tra 256, 1.024, 4.096 e 16.384 livelli del segnale.
Sebbene la risoluzione sia troppo spesso presa come riferimento per valutare la precisione (o accuratezza) di uno strumento di misura, in generale ciò non è così, poiché entrano in gioco gli errori e le imperfezioni presenti in ogni digitalizzatore reale.
Infatti, nella risoluzione in bit citata nelle specifiche tecniche, di solito non vi è alcun riferimento el rumore o alle distorsioni che in realtà diminuiscono la capacità del digitalizzatore di distinguere correttamente tra i vari livelli discreti nei quali viene convertito il segnale.
Un indicatore migliore delle prestazioni basi di uno strumenti è l’ENOB (Effective Number Of Bits), o numero effettivo di bit, che tiene conto di come rumore e altre distorsioni influenzano la precisione delle misure.
Nella determinazione del numero effettivo di bit, vengono considerate tutte le fonti di errore, per cui è possibile valutare le prestazioni complessive senza interessarsi della causa che le genera.
In teoria, una digitalizzatore con risoluzione di 16 bit dovrebbe poter discriminare tra 65.536 valori discreti. All’atto pratico, ci si può aspettare da un buon prodotto da 16 bit un numero effettivo di bit di 13,5 bit.
Attenzione alle specifiche pubblicitarie. Intuitivamente ci si aspetta che un digitalizzatore con risoluzione da 14 bit sia più preciso di uno da 12 bit, ma ciò non è necessariamente vero, tutto dipende dalla bontà con la quale è progettato e realizzato il prodotto.
E dipende ancor di più dalla condizioni operative nel quale viene usato, in particolare dalla frequenza del segnale di ingresso.
Non è raro il caso che per particolari frequenze del segnale di ingresso, un prodotto con risoluzione nominale di 12 bit funzioni meglio (ossia abbia un ENOB più elevato) di uno da 14 bit nominali.
Attenzione anche a confrontare fra loro i vari ENOB, ricordando che sono sempre dipendenti sia dalla qualità del digitalizzatore, sia dall’ampiezza e dalla frequenza del segnale da misurare.
Il rapporto tra segnale e rumore e la distorsione è detto SINAD (SIgnal-to-Noise-And-Distorsion) ed essendo correlato al concetto di numero effettivo di bit è anch’esso dipendente dall’ampiezza e della frequenza del segnale.
Il rapporto segnale/rumore (SNR, Signal to Noise Ratio) è definito come rapporto, espresso in decibel, tra valore quadratico medio (RMS) del segnale in ingresso con il valore quadratico medio del segnale in uscita completo di tutte le altre componenti spettrali dovute a rumore e imperfezioni varie.
Invece, il SINAD, anch’esso espresso in decibel, è il rapporto tra il valore quadratico medio del segnale (composto da segnale utile, rumore e distorsioni) e il valore quadratico medio di tutte le altre componenti spettrali non desiderate, comprese le armoniche.
La stabilità del segnale di clock usato nel campionamento, espressa in ppm (parti per milione) definisce la ‘deriva’ o ‘jitter’ del riferimento temporale con il quale si acquisiscono i campioni.
Nel processo di digitalizzazione, teoricamente i campioni si presumano equispaziati nel tempo, per cui ogni fluttuazione del segnale di clock dal suo riferimento teorico genera un’indesiderata deviazione di frequenza nel segnale digitalizzato.
Analogamente, il parametro sulla fluttuazione del campionamento (sampling jitter), generalmente espresso in ps, indica le imprecisioni casuali a cui è soggetto l’istante di campionamento rispetto al valore teorico. Tale fluttuazione introduce del rumore casuale nel segnale digitalizzato.
La banda passante analogica di un dispositivo definisce la differenza tra la più bassa e la più alta componente di frequenze che può essere misurata prima che il segnale di ingresso venga attenuato di -3 dB rispetto al suo valore iniziale.
Si tratta di una caratteristica spesso citata come un singolo valore in Hz che indica la sola frequenza superiore, dando per scontato che il valore della frequenza più bassa sia zero.
Nel caso dei digitalizzatori, però, sarebbe meglio osservare l’intero grafico della banda passante (noto anche come diagramma di Bode), che indica il valore di attenuazione in funzione delle frequenza.
Si tratta di un’informazione importante quando si trattano segnali a banda larga poiché la risposta in frequenza del digitalizzatore potrebbe essere tutt’altro che piatta. In tal caso, l’andamento ondulato della risposta in frequenza introdurrebbe ulteriori imprecisioni nella misura.
Nel caso si abbia a che fare con segnali da misurare a frequenza fissa o a banda stretta, si tratta invece di un parametro poco rilevante.
Il parametro SFDR (Spurius Free Dynamic Range), o gamma dinamica priva di spurie, indica la differenza, espressa in decibel, tra il valore quadratico medio del segnale all’uscita e il picco dei segnali spuri all’uscita, dove per segnali spuri si intende una qualunque componente spettrale del segnale in uscita che non era presente all’ingresso.
Il valore della gamma dinamica priva di spurie è molto influenzato dalla condizioni operative del digitalizzatore, per cui ogni sua indicazione deve essere accompagnata dalle condizioni al contorno come campionamento, gamma del segnale e così via.
I parametri qui citati sono solamente alcuni tra quelli presenti nelle specifiche tecniche dei digitalizzatori e mettono in evidenza come un loro confronto non sia un’operazione banale.
In ogni caso, ricordate che l’ENOB (o il SINAD) danno alcune indicazioni importanti sulla precisione del digitalizzatore nel convertitore con accuratezza la tensione al suo ingresso, mentre la stabilità del clock e la sua fluttuazione nel tempo (jitter) danno un’indicazione sulla precisione della conversione di frequenza e del rumore temporale che si introduce nella misura.
