高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)簡介

高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)概述-高分辨率ADC成本大幅降低為設(shè)計(jì)人員帶來諸多好處

設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工業(yè)和數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目設(shè)計(jì)時，很可能會遇到以下這些模數(shù)轉(zhuǎn)換問題：
對極寬動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號進(jìn)行數(shù)字化處理，例如環(huán)境聲壓計(jì)要能在60至80dB范圍內(nèi)檢測信號。
適應(yīng)不同來源且信號范圍截然不同的信號。
解析某一確定值的上下微小變化，旨在擴(kuò)展以該點(diǎn)為中心的范圍。
如果使用相對低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高電平信號的分辨率可能接近10位。然而，對于低電平信號，如果小于滿量程的10%，其有效分辨率可能不超過6或7位。因此在很多情況下，對于精度只有1%的傳感器來說，等效精度為0.1%的10位分辨率足夠了。然而，對于更低電平信號，有效分辨率可能小于1%。
設(shè)計(jì)問題的解決之道
這些設(shè)計(jì)問題有很多解決方法，以下主要列出三種：
在相對較低分辨率ADC之前連接可編程增益放大器(PGA)。
將輸入信號加在ADC之前連接的緩沖放大器。
使用高分辨率ADC。

下面逐一評估這些方法。

PGA法
歷史上，PGA方法曾經(jīng)非常流行，因?yàn)榕c較低成本ADC配對使用時，它比高分辨率ADC更具成本優(yōu)勢。此方法特別適用于輸入信號接近0V但具有較寬動態(tài)范圍的情況。

這類似于過程控制系統(tǒng)，需要監(jiān)控具有不同信號范圍的各種傳感器信號，例如聲壓計(jì)。如果對較寬動態(tài)范圍的信號進(jìn)行增益范圍調(diào)整，所產(chǎn)生的最關(guān)鍵誤差是“交越不匹配”。
這意味著當(dāng)PGA切換到不同的增益值時，數(shù)字輸出可能在那個點(diǎn)發(fā)生上下跳變。因此，在每一級都必須小心匹配增益來降低這種影響。從不同信號源中復(fù)用信號時，這個問題并不重要。然而，這與系統(tǒng)是否針對每個信號設(shè)計(jì)固定增益有關(guān)，如圖2所示，或者對于較寬范圍信號輸入進(jìn)行動態(tài)增益切換。
增益范圍調(diào)整方法會產(chǎn)生以下問題：
雖然可驅(qū)動一個12位ADC，但如果在其前放置一個增益為27 = 128的放大器，則放大器的有效輸入噪聲和失調(diào)電壓精度必須為18位。對于采用固定增益運(yùn)算放大器，這會有問題，而采用PGA切換時，問題可能還會更嚴(yán)重。這樣，將精度要求從ADC轉(zhuǎn)移到PGA，卻沒有帶來任何好處。

圖2. 具有獨(dú)立外部緩沖放大器的ADC原理示意圖
在進(jìn)行增益切換時，必須先對信號有所了解。可使用ADC的超量程輸出，并配合軟件，或者通過比較器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個過程很麻煩，而且切換時間也會是個問題。（也許您還記得古老的增益范圍調(diào)整DVM，在改變范圍時它的速度有多慢?。?br />可以對增益為128的精密低噪聲運(yùn)算放大器進(jìn)行簡單的分析：計(jì)算有效輸出噪聲和失調(diào)電壓，并與低分辨率ADC的最低有效位(LSB)進(jìn)行比較。然而，在高增益模式下，運(yùn)算放大器的線性度會是個問題。
用分立器件設(shè)計(jì)PGA的相關(guān)信息見參考文獻(xiàn)1。

多緩沖放大器方法
如果傳感器或者信號源與內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)采集單元有一定距離，可以使用多緩沖放大器方法（見圖2）。

單個高分辨率ADC
單個高分辨率ADC的優(yōu)點(diǎn)是簡單（見圖3）。如果使用16位ADC，對于較小動態(tài)范圍的信號，丟失3、4或5位會使該信號的有效分辨率降至11至14位。然而，對于大多數(shù)傳感器來說此精度足夠了，因?yàn)锳DC的精度相當(dāng)于0.05%或更佳。
由于這些器件的價格最近已降到5美元或更低，因此成本將不再是需要考慮的因素。如果需要更高的有效分辨率，或者需要適應(yīng)更寬的動態(tài)范圍，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性價比較高也更簡單的系統(tǒng)。

圖3. 單個高分辨率ADC的原理示意圖
需解析0點(diǎn)附近某個信號值的微小變化時，顯然應(yīng)選擇使用高分辨率ADC。這也是利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)補(bǔ)償大多數(shù)信號的替代方案。在有些情況下，這仍然是一種可行的選擇。目前適合增益范圍調(diào)整方法的一款較流行PGA是AD8250（見參考文獻(xiàn)2）。表1列出了一些ADC。