A/D ve D/A konvertörlerinde yüksek frekans gürültüsü, veri dönüştürme işleminde oluşan istenmeyen sinyallerdir Bu gürültüyü önlemek için doğru tasarım ve filtreleme teknikleri kullanılmalıdır Detaylı bilgi için okumaya devam edin

A/D ve D/A konvertörleri, dijital sinyalleri analog sinyallere ve analog sinyalleri dijital sinyallere dönüştüren cihazlardır. Ancak, yüksek frekanslı sinyallerin işlenmesinde bazı sorunlara neden olabilirler. Bu sorunların en önemlisi, yüksek frekans gürültüsüdür. Yüksek frekans gürültüsü, cihazların performansını düşürebilir ve yanlış sonuçlar üretebilir. Bu yüzden yüksek frekans gürültüsünün ne olduğunu anlamak ve nasıl önüne geçilebileceğini bilmek önemlidir.

Giriş

Bir elektronik devrede analog sinyalin düzenlenmesi için kullanılan A/D ve D/A konvertörleri, yüksek frekans gürültüsüne sahip olabilirler. Bu gürültü, devrenin analog kısmında kaydedilebilen çok küçük bir sinyalin oluşmasına neden olabilir. Bu durum, gerçek sinyal ile gürültü arasındaki ayrımın bozulmasına sebep olabilir ve sonuç olarak sistem performansında düşüş olabilir.

Yüksek frekans gürültüsünün kaynakları arasında, gelen analog sinyalin veya giren güç kaynağının yanı sıra, devredeki bileşenler arasındaki etkileşimler de yer almaktadır. Ayrıca, konvertörlerde kullanılan performans düzeyi veya devredeki normal çalışma şartları da yüksek frekans gürültüsünü etkileyebilir.

Bu sebeple, konvertörlerin tasarımında, gürültü ölçümü, gürültü katsayısı ve gürültü spektrumu gibi faktörler hesaba katılmalıdır. Üreticiler, gürültüyü sınırlandırmak için, varyant filtreleme, yüksek örnekleme frekansı kullanımı, iyi bir topraklama tasarımı ve gürültü engelleyici devreler ile gürültü mücadele etmektedirler.

A/D Konvertörlerinde Yüksek Frekans Gürültüsü

A/D konvertörlerinde yüksek frekans gürültüsü, sinyalleri bozmak ya da A/D konvertörünün çıkışında doğru bir sonuç elde edilememesine neden olmak için giriş sinyalindeki küçük yüksek frekans varyasyonlardan kaynaklanır. Bu gürültü, sinyal zincirinde bulunan tüm componentlerin etkinleştirilmesiyle ortaya çıkar ve özellikle analog devrelerde en belirgin hale gelir.

Yüksek frekans gürültüsünün nedeni, temel girişim ve termal gürültüdür. Temel girişim, sinyal yolundaki farklı bileşenler arasında gerilim değişimleri oluşturarak giriş sinyalinde değiştirici etkiye neden olur. Termal gürültü, elektronik cihazlarda rastgele varyasyonlara yol açan sıcaklık dalgalanmalarıdır.

Temel Girişim ve Termal Gürültünün Neden Olduğu Etkiler

Gürültü Türü	Etkileri
Temel Girişim	Sinyal genliği azalır ve doğru sonuç elde edilmesi zorlaşır
Termal Gürültü	Dalgalanmalar, sinyal üzerinde yüksek frekanslı bir dizi superimpose eder.

Yüksek frekans gürültüsü A/D konvertörlerinde ciddi bir sorundur, çünkü verilerin doğruluğunu ve bütünlüğünü önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle, gürültünün en aza indirilmesi için diğer componentlerden daha özenle seçilmiş analog bileşenler kullanılması gerekir.

• A/D konvertörlerindeki etkili bir gürültü engelleme yöntemi, sinyal yolunda bir kapasitör kullanmak suretiyle filtrelemedir. Bu, yüksek frekanslı sinyalleri kısa devre etmek için yapılır ve sadece düşük frekans sinyallerine izin verilir.
• Ayrıca, örneklem frekansını artırma (oversampling) yöntemi de yüksek frekanslı gürültüyü önlemek için kullanılabilir. Bu yöntem, örnekleme sayısını artırarak, daha yüksek örnekleme frekansı elde eder ve sonuç olarak yüksek frekanslı gürültü azaltılır.
• İyi bir topraklama tasarımı da A/D konvertörlerindeki gürültüyü azaltmanın en etkili yöntemlerinden biridir. Bu, bireysel bileşenlerin topraklaması için ayrı ayrı kanalların kullanılması ve topraklama düzeneklerinin kısa ve doğrudan olması ile gerçekleştirilebilir.

Yüksek frekans gürültüsü birçok faktörden kaynaklanabilir ancak A/D konvertörlerindeki gürültüyü önlemek için iyi bir yapılandırma, iyi bir topraklama tasarımı ve uygun filtreleme yöntemleri kullanılabilir.

Temel Girişim

A/D konvertörleri, analog sinyalleri sayısal verilere dönüştürürken yüksek frekans gürültüsüne maruz kalabilmektedir. Bu gürültü, temel girişim adı verilen bir süreç nedeniyle meydana gelir. Temel girişim, analog sinyaldeki yüksek frekans bileşenleriyle çevresel etkiler arasındaki karşılıklı etki ve çıkıştaki sayısal sinyaldeki yüksek frekans bileşenlerinin yanlış ölçülmesine neden olur.

Bu sorunu çözmek için A/D konvertörleri, girişin filtrelenmesi ve anti-aliasing filtresi kullanımı gibi adımlarla korunabilir. Filtreleme, düşük geçişli filtrenin kullanımını içerir ve böylece yüksek frekans bileşenleri, yüksek oranda baskılanır. Ancak, bu yöntem genellikle bir örneklemenin kaybedilmesine neden olduğundan, Oversampling adı verilen bir yöntem tercih edilir.

Oversampling, daha yüksek örnekleme frekanslarının kullanımı anlamına gelir, bu da daha fazla sayıda örneklemenin toplanması ve böylece yüksek frekanslı sinyal bileşenleri yakalanıp düzeltilmesi anlamına gelir. Böylece, A/D konvertörlerindeki yüksek frekans gürültüsü azaltılabilir.

Aynı zamanda, iyi bir topraklama tasarımı da yüksek frekans gürültüsünü engellemekte oldukça etkilidir. Bu tasarım, analog ve sayısal bölümleri ayrı bölgede tutar ve diğer bileşenlerden ayrılık sağlar. Yine de, A/D konvertörlerindeki yüksek frekans gürültüsü, etkin bir şekilde engellenebilmesi için çok fazla önlem alınması gereken bir konudur.

Termal Gürültü

A/D konvertörlerinde yüksek frekans gürültüsünün yanı sıra termal gürültü de önemli bir faktördür. Termal gürültü, konvertörün içindeki dirençler, transistörler ve diğer bileşenlerin ısı nedeniyle değişen dirençlerinden kaynaklanır. Bu nedenle, termal gürültü birincil olarak A/D konvertörlerinin analog devrelerinde meydana gelir.

Termal gürültü genellikle düşük frekanslıdır ve bu nedenle A/D konvertörlerindeki yüksek frekans gürültüsü kadar büyük bir problem olmamaktadır. Ancak, yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalarda termal gürültü, doğru sonuçlar elde etmeyi zorlaştırabilir.

Bununla birlikte, termal gürültüye karşı alınabilecek bazı önlemler vardır. Bunların başında, yüksek kaliteli bileşenlerin kullanımı gelir. Bileşenlerin ısıya duyarlılıkları, termal gürültünün performans üzerindeki etkisini azaltmaya yardımcı olabilir. İkinci olarak, termal gürültüyü azaltmak için, A/D konvertörlerinin analog bölümüne uygun bir soğutma çözümü uygulanabilir.

Bunların yanı sıra, A/D konvertörünüzü kullanmadan önce cihazın ısısını ölçmek hatta soğuk başlatmak, termal gürültünün azaltılmasına yardımcı olabilir. Bu yöntemlerle termal gürültünün A/D konvertörü üzerindeki etkisi azaltılabilir ve doğru sonuçlar elde edilmesi sağlanabilir.

D/A Konvertörlerinde Yüksek Frekans Gürültüsü

D/A konvertörlerinde de A/D konvertörlerinde olduğu gibi yüksek frekans gürültüsü problemi mevcuttur. D/A konvertörleri analog sinyalleri dijitale çevirmek yerine, dijital sinyalleri analog sinyallere dönüştürür.

Bu dönüştürme işlemi sırasında yüksek frekanslı gürültüler, çıkış sinyalinde istenmeyen şekilde ortaya çıkabilir. Burada temel girişim de bu gürültünün başlıca kaynağıdır. Bir diğer kaynak ise aliasing gürültüsüdür.

Temel girişim, çıkış sinyaline örtüşen giriş sinyalidir. D/A konvertörünün voltaj çıkışı örneklenir ve sinyal dijitale çevrilir. Dijital sinyal işlenir ve analog sinyale dönüştürülür. Fakat analog çıkış sinyali, yüksek frekanslı giriş sinyalleri tarafından bozulabilir. Bu gürültüyü önlemenin yolu, analog için A/D konvertörlerinde olduğu gibi, filtrelemek veya düzgün bir topraklama tasarımı yapmaktır.

Alias gürültüsü ise, örneklenmiş sinyalin, orijinal sinyalle çakışma aralığında azaltılmış bir örneklem frekansında örneklendiği zaman oluşur. Bu zamanlamadaki fark, aliasing gürültüsüne sebep olur. Alias gürültüsünden kaçınmak için, örnek frekansını yükseltmek veya filtrelemek gerekir.

Bu gürültü problemlerini önlemek için, D/A konvertörlerinde filtreleme yöntemleri kullanılabilir. Ayrıca, iyi bir yapılandırma ve iyi bir topraklama tasarımı da yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için kullanılabilir.

• Filtrelemek
• Örneklem Frekansını Artırma (Oversampling)
• İyi Gidislilik Tasarımı (Good Grounding Design)

Temel Girişim

Dijital sinyallerin analog sinyallere dönüştürülmesi sırasında D/A konvertörlerinde yüksek frekans gürültüsü oluşabilir. Bu gürültü, temel girişim olarak adlandırılır. Temel girişim, D/A konvertörlerindeki yüksek frekans gürültüsünün en yaygın nedenidir.

Temel girişim, D/A konvertörlerindeki dijital bit dizisindeki değişikliklerin, analog çıkış voltajındaki değişikliklere neden olduğu bir olgudur. Bu değişimler, analog sinyallerin temel frekanslarını ve harmoniklerini oluşturarak, analog çıkış voltajına eklenirler. Bu, D/A konvertörlerindeki analog çıkış voltajı üzerindeki yüksek frekans gürültüsünü artırır.

Bu temel girişimi önlemek için, D/A konvertörlerinde işlem yapmadan önce analog çıkış voltajına bir filtre uygulamak gerekir. Bu filtre, yüksek frekans gürültüsünü azaltarak daha temiz bir analog sinyal elde etmeyi sağlar.

Bazı modern D/A konvertörleri, temel girişimi otomatik olarak filtreleyen dahili filtrelerle birlikte gelir. Bu sayede, kullanıcılar yüksek kaliteli analog sinyalleri elde edebilirler.

Aliasing Gürültüsü

D/A konvertörlerindeki en yaygın gürültü türlerinden biri olarak Aliasing gürültüsü, konvertör içindeki örnekleme frekansının yetersiz olması sonucu görülebilir. Bu, konvertörün örnekleme frekansının, sinyal frekansının iki katından daha yüksek olmaması durumunda ortaya çıkar.

Bu durum, bir sinyal örneği, örnekleme frekansının yarısı olan "Nyquist frekansı" ile kodlandığında, aslında iki farklı sinyali temsil edebileceği anlamına gelir. Bu da, yetersiz örnekleme frekansı nedeniyle yanlış yorumlanabilecek örnekleme verilerinin ortaya çıkmasına neden olabilir. Aliasing gürültüsü, D/A konvertörlerinde bir sinyali yeniden oluşturduğunda, alçak frekanslardaki yetersiz örnekleme nedeniyle yüksek frekanslı görünebilir. Bu da gürültüye neden olur ve sinyal kalitesini düşürür.

Aliasing gürültüsü üretimini azaltmak için, örnekleme frekansı sinyal frekansının en az iki katı olmalıdır. Ancak, bazı durumlarda yüksek maliyetler veya fabrikasyon zorlukları nedeniyle bu örnekleme frekansına uygun olmayabilir. Bu nedenle, İyi bir düzenleme, topraklama ve filtreleme tasarımı, D/A konvertörlerinde Aliasing gürültüsünü azaltmak için kullanılabilir.

Gürültü Önleme Yöntemleri

A/D ve D/A konvertörlerinde yüksek frekans gürültüsü problemi, ciddi sorunlara neden olabilir. Ancak bu sorunlar bazı yöntemlerle çözülebilir. Yüksek frekans gürültüsünün A/D ve D/A konvertörlerinden nasıl önlebileceği hakkında birkaç fikir sunabiliriz:

Gürültü önleme için en yaygın kullanılan yöntem filtrelemedir. Filtreleme, benzer frekanslardaki sinyalleri birbirinden ayırmak için kullanılır. Ayrıca gürültüyü, istenmeyen bir darbe sinyali şeklinde filtre çıkışından ortadan kaldırmak için de kullanılır.

Bazı filtreler şunları içerebilir:

+Düşük geçiş filtresi	Bu filtre, frekansın yüksek olduğu sinyalleri bloke eder ve sadece düşük frekanslı sinyallerin geçmesine izin verir. Bu nedenle, yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için kullanılır.
+Yüksek geçiş filtresi	Bu filtre, düşük frekanslı sinyalleri bloke eder ve sadece yüksek frekanslı sinyallerin geçmesine izin verir. Bu nedenle, düşük frekans gürültüsünü azaltmak için kullanılır.
+Band geçiş filtresi	Bu filtre, belirli bir frekans aralığındaki sinyallerin geçmesine izin verir ve diğerlerini engeller.

Oversampling yöntemi, A/D ve D/A konvertörlerindeki yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için kullanılır. Bu yöntemde, örneklem frekansı artırılır ve daha yüksek çözünürlüklü bir örnekleme elde edilir.

Bu yöntemde kullanılan bazı teknikler şunlardır:

• +Dithering: Dithering, örnekleme sırasında düşük seviyeli bir gürültü ekleyerek örnek alımını daha doğru hale getirir.
• +Noise Shaping: Gürültü şekillendirme, yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için kullanılır ve gürültüyü sinyal enerjisine göre şekillendirir.

İyi bir yapılandırma ve iyi bir topraklama tasarımı, yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için kullanılabilir. Bu nedenle, uygun bir topraklama ve güç yönlendirme stratejisi uygulamak önemlidir.

Bazı topraklama teknikleri şunları içerebilir:

• +Differential Topraklama: Bu, yüzey alanını artırmak ve gürültüyü düşürmek için yapılan bir tekniktir.
• +Ground Plane: Bu, toprak seviyesini büyük bir metal yüzeyle genişletmek ve böylece gürültüyü düşürmek için kullanılır.

Bu yöntemlerle yüksek frekans gürültüsü kontrol edilebilir ve verimli bir şekilde ele alınabilir.

Filtreleme

Gürültü önleme için en yaygın kullanılan yöntem filtrelemedir. Filtrelemek, yüksek frekans gürültüsünü ortadan kaldırmak için kullanılan bir tekniktir. Bu teknik, yüksek frekanslı gürültü sinyallerini elektronik bir devreden geçirerek filtreleme elemanları sayesinde istenmeyen gürültüyü ortadan kaldırır.

Bir filtreleme elemanı, sinyaldeki belli frekans aralıklarını ayrıştırmak için kullanılır. Bu elemanlar aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

• Pasif Filtreler: Pasif filtreler sadece direnç, kapasitör ve indüktörlerden oluşur. Bu filtreler, düşük geçirgenlik, yüksek geçirgenlik, yüksek geçiren ve düşük geçiren şeklinde sınıflandırılabilir.
• Aktif Filtreler: Aktif filtreler, pasif filtrelerin yanı sıra transistörler vb. aktif elemanlardan da oluşabilir. Pasif filtrelere göre daha yüksek güç kazancı ve düzgün sinyal tepkisi sunarlar.
• Dijital Filtreler: Dijital filtreler, sürekli olan sinyallerin örnekleme işleminden sonra kullanılır. Daha kararlı ve toparlayıcıdırlar.

Bunlar, filtrelemenin en yaygın olan filtrelere verilen örnekleridir. Filtreleme, diğer yüksek frekans gürültü önleme yöntemleri ile birlikte de kullanılabilir.

Örneklem Frekansını Artırma (Oversampling)

Oversampling, A/D ve D/A konvertörlerindeki yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem sayesinde, A/D ve D/A konvertörlerinin örneklem frekansı artırılır ve daha yüksek çözünürlüklü örneklemeler elde edilir.

Oversampling aynı zamanda gürültüyü azaltmak için kullanılan bir sinyal işleme yöntemidir. Bu yöntem sayesinde, daha fazla sayıda örnek alınarak, örnekler arasındaki farklar küçültülür ve sonuçta daha temiz bir sinyal elde edilir.

Bu yöntem çoğunlukla A/D konvertörlerinde kullanılır. Aşağıdaki tabloda, örneklem frekansının artırılmasıyla gürültünün azaltılması arasındaki ilişki gösterilmektedir:

Örneklemleme Frekansı	Gürültü Seviyesi
100 kHz	70 dB
200 kHz	80 dB
400 kHz	90 dB
800 kHz	100 dB

Görüldüğü gibi, örneklem frekansının artırılmasıyla gürültü seviyesi düşmektedir. Ancak, örneklem frekansının artırılması, işlemciye daha fazla örnek gönderilmesi anlamına geldiği için, işlemciyi daha fazla yükleyebilir. Bu nedenle, oversampling kullanmadan önce, sistem performansı analiz edilmelidir.

D/A konvertörleri için de oversampling kullanılabilir. Bu sayede, sinyaldeki gürültüler, örneklem frekansının artırılmasıyla azaltılabilir. Ayrıca, oversampling, D/A konvertörlerindeki senkronizasyon kaymalarını da azaltır. Bununla birlikte, oversampling, D/A konvertörlerinin performansını da etkileyebilir.

İyi Gidislilik Tasarımı (Good Grounding Design)

İyi bir yapılandırma ve iyi bir topraklama tasarımı, yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için etkili bir yöntemdir. Yüksek frekans gürültüsü, diğer elektronik cihazlardan gelen elektromanyetik etkileşimlerden kaynaklanabilir ve bu da gürültüye neden olabilir. Ancak, iyi bir gidislilik tasarımı, elektromanyetik etkileşimleri minimum seviyeye indirmek için çalışır ve bu da yüksek frekans gürültüsünü azaltır.

Birincil topraklama değeri, sistemdeki tüm bileşenlerin toplanıp toprağa bağlandığı bir ana terminaldir. Bu birincil topraklama değeri, topraklamadaki yüksek frekans gürültüsünü yönetmek için kullanılabilir. İyi bir topraklama tasarımı, yüksek frekans gürültüsünü minimize ederek birincil topraklamayı ustalıkla takip eder. Bu, bileşenler arasındaki gürültü seviyelerini düşürür ve sistem genelinde daha yüksek bir performans sağlar.

Ayrıca, iyi bir yapılandırma tasarımı, yüksek frekans gürültüsünü en aza indirmek için de kullanılabilir. Bileşenler arasındaki fiziksel mesafeler, sistemdeki sinyal yolu uzunluğu ve bileşen yerleşimi gibi faktörler, yapılandırma tasarımı için önemli faktörlerdir. Bu faktörlerin önemi, birbirine yakın olan bileşenler arasındaki elektromanyetik etkileşimlerde belirgin hale gelir.

İyi bir topraklama tasarımı ve iyi bir yapılandırma tasarımı, A/D ve D/A konvertörlerindeki yüksek frekans gürültüsünü azaltmak için en etkili yöntemlerden biridir. Bu yöntemler, diğer gürültü önleme yöntemleri ile birlikte kullanıldığında, yüksek frekans gürültüsünü önlemede son derece etkilidir.