ADC分類選擇及其前端配置技術(shù)

ADC作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器，它的應(yīng)用包括了音頻、工業(yè)流程控制、電源管理、便攜式／電池供電儀表、PDA、測(cè)試儀器分析及測(cè)試儀表、醫(yī)學(xué)儀表等領(lǐng)域。正因?yàn)樗挠猛救绱藦V泛，所以作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員首先迂到是如何選擇ADC，而選擇ADC又必須了解它的分類與特征，在這基礎(chǔ)上更要了解ADC前端設(shè)計(jì)技術(shù)，這樣才能實(shí)現(xiàn)工控或檢測(cè)系統(tǒng)的高可靠與高精度。本文將此作介紹分析。

1、基于架構(gòu)的ADC分類

ADC按某架構(gòu)分類有四大類，即Delta-Sigma( △∑ )ADC、逐次逼近型(SAR)ADC、大帶寬△∑ADC及智能型ADC。在此僅對(duì)三類作分析。

1.1Delta-Sigma( △∑ )ADC

基本架構(gòu)

△∑ADC由一個(gè)△∑調(diào)制器以及后序的數(shù)字抽樣濾波器組成。 調(diào)制器由一個(gè)帶DAC的反饋回路紐成，回路中包括了一個(gè)比較器及一個(gè)積分器?；芈吠ㄟ^(guò)時(shí)鐘同步?；窘M成架構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1

*特征

△∑轉(zhuǎn)換器擁有非常高的分辨率，可理想的用于轉(zhuǎn)換極寬頻率范圍(從直流到好幾個(gè)MHz)的信號(hào)。在△∑ADC中，輸入信號(hào)先通過(guò)一個(gè)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣，而后由數(shù)字濾波器所產(chǎn)生的、采樣率較低的高分辨率數(shù)據(jù)流完成濾波及抽取。

△∑的架構(gòu)模式允許犧牲分辨率來(lái)?yè)Q取速度，或同時(shí)折衷換取速度及功耗。正是數(shù)據(jù)率、分辨率、功耗三者之間密切且不間斷的聯(lián)系，使得△∑轉(zhuǎn)換器格外的靈活。在很多△∑轉(zhuǎn)換器中，分辨率是可編程設(shè)定的，從而使單個(gè)器件能滿足多個(gè)不同度量的需求。

△∑轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入過(guò)采樣，因而能在數(shù)字域完成大多數(shù)的反鋸齒濾波?，F(xiàn)代的超大型集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)使得復(fù)雜數(shù)字濾波器的成本遠(yuǎn)低于同等的模擬濾波器。原來(lái)不同尋常的某些功能，諸如對(duì)50Hz及60Hz的帶阻濾波，現(xiàn)在已經(jīng)內(nèi)置到很多的△∑ADC之中。

△∑轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作有別于逐次逼近型(SAR)轉(zhuǎn)換器。SAR轉(zhuǎn)換器獲得輸入電壓的一個(gè)“映像”，通過(guò)對(duì)“映像”的分析決定響應(yīng)的數(shù)字代碼。而△∑測(cè)量的是一段確定時(shí)間的輸入信號(hào)，其輸出響應(yīng)的數(shù)字代碼是根據(jù)信號(hào)的時(shí)間平均得來(lái)的。對(duì)于△∑的工作方式有清晰的認(rèn)識(shí)是很重要的，特別是對(duì)于設(shè)計(jì)中包含多路復(fù)用技術(shù)及同步的情況。

對(duì)多個(gè)△∑轉(zhuǎn)換器的同步并不困難，因此很容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器的同時(shí)刻采樣，而比較困難的則是實(shí)現(xiàn)△∑轉(zhuǎn)換器與外部事件的同步?！?sum;轉(zhuǎn)換器還對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)(CIock iftter)有極高的抵抗能力。其過(guò)采樣功能有效的平均了抖動(dòng)，降低了其噪聲影響。

*應(yīng)用

△∑的典型高精度應(yīng)用包括了音頻、工業(yè)流程控制、分析及測(cè)試儀表、醫(yī)學(xué)儀表。

近期ADC架構(gòu)領(lǐng)域的革新帶來(lái)了新一代的ADC架構(gòu)，此架構(gòu)同時(shí)采用了流水線及過(guò)采樣率準(zhǔn)則。因此，超高速轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)率推向了MSP5(百萬(wàn)抽樣率每秒)的級(jí)別，同時(shí)保持了16位甚至更高的精度。這樣的速度支持了眾多最新的大帶寬信號(hào)處理應(yīng)用，例如通信及醫(yī)學(xué)成像。

1.2大帶寬△∑ADC特征

大帶寬△∑ADC具有非常高的分辨率，可轉(zhuǎn)換覆蓋極寬頻率范圍的信號(hào)--從直流至若干MHz。采用此類ADC的系統(tǒng)將得益于其高速、高精度性能以及大帶寬(直流至5MHz)。此類ADC采用了多級(jí)的調(diào)制器架構(gòu)，從而提供了優(yōu)異的內(nèi)在穩(wěn)定性，并通過(guò)降低過(guò)采樣率(OSR)提高了信號(hào)量化噪聲比(SQNR)。此外，該高速的△∑轉(zhuǎn)換器具有非常強(qiáng)的系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)耐受性。過(guò)采樣的操作弱化了抖動(dòng)，降低了噪聲的影響。速度及精度的結(jié)合可支持大帶寬信號(hào)處理的應(yīng)用。以用于生物醫(yī)學(xué)、臺(tái)架(bench)測(cè)試和測(cè)量以及通信應(yīng)用中先進(jìn)的科學(xué)儀表。

1.3逐次逼近型(SAR)ADC

*基本架構(gòu)

在SARADC內(nèi)部。數(shù)位是由單個(gè)高速、高準(zhǔn)確度比較器一位一位確定的，從MSB／最高有效㈣到LSB／最低有效62)。比較的坌過(guò)程是通過(guò)模擬輸入信號(hào)與DAC的輸出比較．而后根據(jù)比較結(jié)果。在DAC輸出端先前確定的數(shù)位的基礎(chǔ)上不斷的調(diào)整，使DAC輸出信號(hào)逐步逼近模擬信號(hào)．并最終完成轉(zhuǎn)換。基本組成架構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

圖2