Często spotykamy się z problemem pomiaru sygnału o dużej dynamice. Przykład? Prąd w przewodzie. Układ pobiera czasami pojedyncze mikroampery a czasami kilka amperów. Różnica? Ponad milion lub jak kto woli 120dB. Rozwiązania?

Pierwsze jakie się nasuwa to przetwornik o większej rozdzielczości. 20-bit, 24-bit i gra muzyka… Nie do końca. O ile matematycznie się zgodzi, bo wystarczyłby już 20-bitowy przetwornik dysponuje odpowiednią rozdzielczością, to ostatnie bity to w zasadzie szum. Okazać się może, że z tych 24-bitów pozostanie tylko 18. Przetworniki delta-sigma są wolne. Dodatkowe „wydłubywanie” sygnału z szumu kosztuje czas. Może się okazać, że będziemy w stanie próbkować góra kilkadziesiąt próbek na sekundę.

Możemy też zbudować kilka wzmacniaczy na różne zakresy i przełączać się między wejściami. W ten sposób w zasadzie możemy zbudować układ pomiarowy o dowolnej dynamice. Jest to jakieś rozwiązanie. Jednak wciąż przy małym sygnale pojawia się duże wzmocnienie. Układ się rozbudowuje.

Żeby dokonać pomiaru nie koniecznie musimy przetwarzać sygnał liniowo. Można wzmacniać sygnał w sposób nieliniowy, a potem go cyfrowo „wyprostować”. Do realizacji tego typu zadania służy tzw kompresja logarytmiczna. Stopień wzmacniający przed przetwornikiem robi nam logarytm z sygnału. Czym to skutkuje? Dla małych sygnałów wzmacniacz będzie miał duże wzmocnienie, dla sygnałów dużych, wzmocnienie będzie małe (dokładnie tak jak wygląda funkcja log(x)).  Wygląda to następująco: sygnał –> log(x) –> adc –> 10^x.

Powyżej schemat wzmacniacza logarytmicznego.  Generalnie jest prosty. U1 robi logarytm, U2 robi logarytm ze znanej wartości. Odejmujemy te dwie wartości od siebie. Po co? Kompensacja prądu saturacji tranzystora (nigdy nie byłem dobry z Ebersa-Mola, więc nie będę tego zgłębiał). Następnie wzmacniamy wedle uznania. I tutaj bardzo ciekawy manewr został zastosowany. Termistor, żeby skompensować dryf temperaturowy tranzystora. Najciekawsze jest to, że charakterystyki dryfów stopnia logarytmujacego i termistora są w zasadzie identyczne. Jak to wszystko wygląda w teorii?

W zasadzie idealnie. Widać jak wzmacniacz robi logarytm z sinusa. Wzmacniacz ma dynamikę około 140 dB. Dobierając wzmocnienie i napięcie odniesienia ostatniego stopnia można przeskalować odpowiednio zakres żeby dopasować go do wejścia przetwornika. Metoda ta ma pewną wadę. Dokonujemy kwantyzacji funkcji nieliniowej w sposób liniowy, a potem próbujemy z tych wartości odzyskać wartość mierzoną. Błąd takiego przetwarzania nie jest stały, tylko okresowy i zmienny. Nie jest jednak duży i do zaakceptowania w większości przypadków.