Brad Brannon and Tom MacLeod Analog Devices

יצירת מודלים של ממירים
אם לא פסחו על יצירת מודלים של ממירים ולא העלימו ממנה עין כפי שקורה בדרך כלל, היא מתבצעת במודל אידיאלי של ממיר. השימוש המתפשט בטכנולוגיה של אותות מעורבים בצירוף קיצור זמני התכנון, בצד הלחץ להצלחה בסיבוב הראשון, מעלים את החשיבות שהטמונה ביצירת מודל שלם של המערכת. התוכנה ADIsimADC פותחה כדי לענות על הצורך המתרחב זה.
מודלים אידיאליים של ממירים, אשר לעתים קרובות משמשים כמודלים פונקציונליים, אינם מספקים את פרטי הביצועים הדרושים להחלטה אם התקן מסוים מגיע לתוצאות הרצויות. התוכנה ADIsimADC מספקת אמצעי שמאמת את ביצועי הממירים במערכות שלהם וקובע את ישימותם עבור מערכות אלו. על אף שהתוכנה ADIsimADC אינה מבצעת אמולציה של כל מאפייני הממירים, היא מאפשרת יצירה של מודל אמיתי שהוא משמש להדמיות של מערכות.

מודל מדויק לעומת מודל התנהגותי
מודל מדויק, שכמותו אפשר למצוא במערכות ספרתיות, מספק אות מוצא ידוע עבור כל אות מעורר ידוע. התוכנה ADIsimADC אינה מודל מדויק. כתוצאה מרעש, עיוותים ותופעות אחרות של אי–ליניאריות, לעולם אין במערכות אנלוגיות תגובה ידועה עבור אות כניסה נתון. בנוסף, למודל מדויק נדרשים קובצי הדמיית מעגלים, כדוגמת SPICE, אשר מעבדים תגובה לתופעות מעבר, אך אלו גדולים, מורכבים ואיטיים ביותר, ובסופו של דבר, מספקים דיוק מוגבל. מודלים מצומצמים או מודלים שווי–ערך לא יספקו את הפרטים הדקים בביצועים הסטטיים והדינמיים.
מודל התנהגותי מבטל את המורכבות ובה בעת מאפשר יצירת מודל של פרטי הביצועים הדקים. בשילוב עם VisualAnalog, פועלת ADIsimADC ככלי תוכנה עצמאי המשמש להערכת ממירים, בנוסף על יכולתה לשמש עם כלי הדמיה רבים של צד שלישי ביחד.

מודל לעומת חומרה
יצירת מודל של מערכת או ממיר ADC אינם יכולים להיות תחליף לבנייה, לאפיון או לבדיקה של מערכת ממשית. במערכות אנלוגיות או במערכות עם אותות מעורבים, יש צורך לבצע פעולות נכונות של קונפיגורציה והנחת רכיבים, כדי להשיג ביצועים כמו אלו שהושגו בהדמיה. לכן יש להקפיד על כל כללי הנחת הרכיבים וקווי ההנחיה המופיעים בדף נתוני המוצר (עיין באיור 4). לדוגמה, חשוב לתכנן קבלים מתאימים לאספקת המתח. מאחר ובמעגלי אותות מעורבים קיימים גם חלקים ספרתיים, רעש המיתוג הספרתי יוצר לעתים בעיה, שבהיעדר הקבלים שימתנו אותו, היא עלולה לפגוע בביצועים, אף של הטוב בהתקנים. התקנים תומכים נוספים נדרשים לעתים סביב הממיר, כולל קבלים, משרנים ונגדים. דף הנתונים של המוצר ותרשים מעגל ההערכה מספקים את המידע המתייחס לרכיבים הנוספים הנדרשים.

הנתונים החשובים למודל
התוכנה ADIsimADC מיועדת לספק ביצועים מציאותיים של התקנים אמיתיים. הנתונים החשובים למודל תלויים בסוג הניתוח שהמשתמש מעונין לבצע. למשל, ללולאות בקרה יש צורך בפונקצית העברה ובמידע לגבי השהיות, לעומת מערכות רדיו שלהן אולי תידרש הצגה מדויקת של הרעש וההפרעות. התוכנה ADIsimADC יוצרת מודל של רבים מבין נתוני המפרט החשובים של ממירי נתונים כולל היסט, הגבר, קצב דגימה, רוחב פס, ריצוד (jitter), זמן המתנה (latency) וליניאריות לאותות חילופין ולאותות מתח ישר.
הגבר היסט וליניאריות לאותות מתח ישר
הטווח המלא של הממיר נקבע על ידי התכנון שלו. הוא יכול להיות קבוע, ניתן לבחירה או משתנה. שגיאת ההגבר של ממיר היא הסטייה מהערך הנומינלי, המכונה לעתים גם מיפתח הכניסה (span). מאחר שממיר ADC הוא התקן עם כניסת מתח, הטווח המלא מוגדר ביחידות של וולט במתח ישר או בתדירויות נמוכות.
ההיסט מוגדר כסטיית המעבר הממשי של האות הנושא הראשי ממחצית הטווח המלא של הממיר. אפשר למדוד את הערך הזה על ידי קיצור הכניסה למחצית מתח הטווח המלא. להתקנים רבים יש חיבורים פנימיים שממתחים את פיני הכניסה, כדי ליצור מתח כניסה במצב משותף (עיין באיור 1). בהתקנים כאלו, אין נדרשים חיבורים חיצוניים לצורך כך. הכניסה יכולה להיות צפה או במקרה של כניסות הפרשיות, אפשר לקצר אותן יחד. בהתקנים שבהם אין חיבורים פנימיים למצב משותף, יש צורך לבצע את החיבור באופן חיצוני (עיין באיור 2). בדומה למיפתח הכניסה, המתח במצב משותף יכול להיות קבוע או ניתן לכוונון. יש לעיין בדף הנתונים של ההתקן כדי לוודא את הקונפיגורציה שלו.
התוכנה ADIsimADC אינה מאפשרת ביצוע שינויים במיפתח הכניסה ובמצב המשותף. מודלים שונים של ממירים קיימים עבור התקנים עם ריבוי של מיפתחי כניסה. המצב המשותף קבוע עבור כל ההתקנים ואין אפשרות לשנות אותו. אם יש צורך ליצור מודל של מערכת שמשתמשת בטווח אחר של מצב משותף, אפשר לחסר את ההפרש באמצעות היסט חיצוני.
הליניאריות של ממיר ADC לאותות מתח ישר (עיין באיור 3) נקבעת באמצעות שיטת קוונטיזציה ועל ידי פונקצית ההעברה הסטטית של הממיר. קיימים סוגים רבים של ממירים, לכל אחד מהם יש פונקצית העברה ייחודית והוא מפיק תוצאות שונות באותות מתח ישר ובתדירות גבוהה.

קצב דגימה
ביצועי ממיר משתנים עם השינויים בקצב הדגימה ובתדירות בכניסה. מנקודת מבט של קצב דגימה, רוב הממירים הטובים מספקים ביצועים עקביים בין קצבי הדגימה המזעריים לקצבי הדגימה המרביים (עיין באיור 5). חלק מהממירים אינם פועלים באופן תקין בקצבי דגימה נמוכים מהמינימום. ייתכן שהסיבה לכך היא שמטענים שנשמרים בקבלים שעל השבב מתפרקים או נופלים בערכם, וגורמים בכך להמרת נתונים שגויה. לכן יש צורך לעיין בדף הנתונים של הממיר על מנת לקבוע את קצב הדגימה המזערי לשימוש. מעל לקצב הדגימה המרבי עלולות להופיע שתי בעיות. ההתקן עלול לא להעביר אותות ספרתיים על השבב מדרגה אחת לבאה אחריה. הבעיה השנייה היא אי–התייצבות של אותות אנלוגיים חשובים בתוך הזמן המוקצה לתהליך. אחת הדוגמאות לכך היא זמן ההרכשה עבור קבל ההחזקה. כמו במקרה הקודם, יש לעיין בדף הנתונים על מנת לקבוע את קצב הדגימה המרבי. התוכנה ADIsimADC משתמשת בקצב הדגימה המוגדר, כדי לקבוע מה אמורים להיות ביצועי הממיר. עם זאת, מחוץ לטווח המוגדר עבור ההתקן, המודל מפיק ערכים של אפס עבור כל התוצאות.

רוחב פס
ככל שהתדירות האנלוגית בכניסה עולה, ההנחתה בתגובת המשרעת (האמפליטודה) מגדילה כביכול את הטווח המלא של הממיר וגורמת בהדרגה לירידה בתגובת הממיר. התדירות שבה התגובה ירדה ב–3 dB נקראת “רוחב הפס של 3 dB” של הממיר.
ביצועים של ממיר יורדים בהדרגה לפי תגובת התדר שלו ככל שהתדירות בכניסה עולה (עיין באיור 6). מצב זה מופיע במודל של ADIsimADC ומביא לתגובה מופחתת בתוך המודל. על מנת להתגבר על הפסד זה, יש להגדיל את משרעת אות הכניסה מעל למיפתח המוגדר כברירת המחדל עבור המודל, כאשר התוצאה היא כניסה הנראית כאילו היא מעל לטווח המלא של הממיר. במציאות האות מונחת על ידי ערכים פרזיטיים הקיימים במארז ובהתקן וכן על ידי המסנן שנוצר על ידי קבל ההחזקה של מגבר הדגימה וההחזקה (SHA), ולכן האות נמצא בפועל בתוך המיפתח המוגדר.
עיוותים דינמיים ועיוותים סטטיים
כתוצאה מרוחב הפס הסופי של ממיר ADC, קיימת גם מגבלה בסיסית לקצב הסבב (slew rate), או מגבלה דינמית. מגבלה זו היא אחד המקורות לעיוותים הנוצרים בתוך ממיר ADC. ככל שעולה תדירות הכניסה של ממיר נתונים מאות של מתח ישר לתדירות עליונה כלשהי, ביצועי SFDR והביצועים ההרמוניים של הממיר הולכים ויורדים (עיין באיור 7).
מאחר שמגבלות העיוותים נובעות – לפחות בחלקן – מבעיות הכרוכות בקצב הסבב, ניתן להקטין את המשרעת של כניסת האות, תוך כדי הקפדה על כך שהתדירות האנלוגית תהיה קבועה והתוצאה תהיה קצב סבב מוקטן, והרמוניות ועיוותים משופרים ביחס לאות, בטווח המלא של הממיר. כאשר רמות האות מוקטנות נעלמות ההשפעות הדינמיות אבל ההשפעות הסטטיות מחליפות אותן במהירות כגורמים עיקריים לעיוותים.
עיוותים סטטיים נובעים מפונקצית ההעברה של הממיר (עיין באיור 8). לעיוותים אלו יש לא פעם כמה תוצאות מאוד בלתי חזויות. אלו יכולות לכלול אותות מעבר שמשתנים במהירות כפונקציה של הרמה בכניסה ויכולים להתאפיין בשיפוע חיובי או שלילי. באופן כללי אותות מעבר אלו נובעים ממאפייני הארכיטקטורה של הממיר. לממירים שונים יש פונקציות העברה סטטיות שונות והתוצאה המתקבלת תהיה עיוותים שונים מאוד. בנוסף, כתוצאה מהעובדה שמדובר ברכיבים אנלוגיים, לכל חלק באותו תכנון יש תגובות שונות לאות כניסה ולכן יהיו שינויים מסוימים בין הרכיבים.
התוכנה ADIsimADC מנסה ליצור מודל של הביצועים הנומינליים של ממיר הנתונים. על אף שהיא פועלת בצורה מעולה, סביר שיהיו שינויים מסוימים בין הרכיבים השונים. רצוי עיין בדף הנתונים של הממיר כדי לקבוע לאלו שינויי ביצועים צריך לצפות.

ריצוד
בנוסף למגבלות של קצב הסבב בכניסה האנלוגית של הממיר, אחד ההיבטים הקשים ביותר של דגימת אותות אנלוגיים בתדר גבוה הוא הריצוד [jitter]. הריצוד הוא שינוי מדגימה לדגימה, המופיע בתהליך הדגימה במעגל הראשון של כל ממיר נתונים. בתדירויות נמוכות של הכניסה האנלוגית הריצוד יהיה זניח. עם זאת בתדירויות גבוהות בכניסה האנלוגית, השגיאות הנותרות בתהליך הדגימה האנלוגי, אלו הנובעות מהריצוד, עלולות לגרום לתוצאות גרועות באופן משמעותי השגיאות בזמן הדגימה יכולות להיות בסדר גודל של פמטו-שנייה, אך לעומתן המגבלה הנובעת ביחס אות לרעש, עלולה להיות משמעותית. קיימים שני מקורות לריצוד. הראשון פנימי להתקן והוא הזניח מבין השניים. המקור השני הוא ריצוד באות השעון החיצוני. בעת יצירת המודל, שני מקורות אלו משולבים יחד לפני חישוב רעש.
הערכת של ההשפעה של קצב הסבב שמבצע המודל של ADIsimADC נותנת תוצאה מדויקת לגבי ההשפעה, גם כפונקציה של תדירות הכניסה האנלוגית וגם של המשרעת.

זמן המתנה
לסוגים מסוימים של ממירים יש השהיה בין זמן הדגימה לבין הזמן שבו מופיעים נתונים תקפים ביציאות הספרתיות. מצב זה נחשב בעייתי עבור מערכות בקרה ועבור מערכות שבהן יש חשיבות להשהיה. התוכנה ADIsimADC יוצרת מודל של זמן ההמתנה בכפולות שלמות של זמן מחזור אות השעון. כאשר משתמשים במודל, ראוי להקפיד ולקחת בחשבון בצורה נכונה את ההשהיה.

מסקנות
ADIsimADC הוא כלי תוכנה שימושי לביצוע הדמיה של ביצועי ממיר ADC בתנאי פעולה מסויימים. התוכנה מבצעת אמולציה של תנאים ממשיים ומאפשרת יצירת מודל מערכת שלם יותר. אמנם אין לראות בתוכנה ADIsimADC תחליף לחומרה, אך השימוש בכלי מהווה צעד ראשון וטוב להבנת האופן שבו פועל ממיר ADC בתכנון מערכת.