欠采樣：基于SARADC的應(yīng)用和技術(shù)

以低吞吐量運(yùn)行SAR ADC可以實(shí)現(xiàn)多種優(yōu)勢(shì)。通過(guò)增加轉(zhuǎn)換操作之間的時(shí)間，可以放寬系統(tǒng)濾波器要求，增加獲取輸入信號(hào)及從ADC抽取數(shù)據(jù)的時(shí)間。由于ADC的采集周期是轉(zhuǎn)換周期中讀取數(shù)據(jù)最常用的區(qū)域，因此，延長(zhǎng)采集周期將放寬數(shù)字主機(jī)的要求?？梢圆捎弥鳈C(jī)輸出-從機(jī)輸入(MOSI)時(shí)鐘速率較慢的低端處理器。例如，AD7980 16位SAR ADC的額定采樣速率最高為1 MSPS。

ADC的繁忙周期的最大額定值為710 ns，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間只剩下290 ns。要輸出16位數(shù)據(jù)要求時(shí)鐘周期不超過(guò)18 ns（或者不低于55 MHz左右）。然而，如果器件運(yùn)行時(shí)的吞吐量為100 ksps，結(jié)果會(huì)使采集時(shí)間（數(shù)據(jù)讀取周期）從290 ns增至9290 ns。降低ADC采樣速率后，可以放寬串行時(shí)鐘要求，并把最小串行時(shí)鐘頻率改為2 MHz左右。在放寬數(shù)字主機(jī)要求以外，延長(zhǎng)采集時(shí)間后，由于增加了建立時(shí)間，因此，還可以選擇使用低功耗和低帶寬ADC驅(qū)動(dòng)器。

只要ADC支持需要的系統(tǒng)連續(xù)時(shí)間信號(hào)帶寬，就可以考慮使用額定最大吞吐量較低的ADC（如AD7988-1），以降低系統(tǒng)成本。AD7988-1是與AD7980同系列的一款100 ksps SAR ADC器件，它以較低的價(jià)格提供了相同的性能。如圖1所示，器件的功耗與采樣速率呈線性關(guān)系，因?yàn)槎鄶?shù)功耗發(fā)生在活躍轉(zhuǎn)換周期中。減少轉(zhuǎn)換過(guò)程的次數(shù)，消耗的電量也會(huì)減少。速率為100 ksps時(shí)，AD7980（或AD7988-1）的功耗約為AD7980以1 MSPS的速率采樣時(shí)的十分之一。

圖1：AD7980工作電流與采樣速率

在單通道16位偽差分AD7980以外，ADI系列同時(shí)提供AD7902。這是一款雙通道16位偽差分同步采樣ADC，其額定采樣速率為1 MSPS。在傳播時(shí)間等應(yīng)用中，可以利用同步采樣系統(tǒng)來(lái)抽取信號(hào)相位信息。我們收集了AD7902以1 MSPS和15.625 ksps（1 MSPS的1/64）的速率對(duì)10 kHz信號(hào)音采樣時(shí)的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果。運(yùn)用等式4，欠采樣10 kHz信號(hào)音的基頻應(yīng)該出現(xiàn)在DFT頻段中，該頻段跨度為5.625 kHz。可以看出，在符合奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)的采樣與欠采樣配置之間，無(wú)幅度信息丟失。但重構(gòu)信號(hào)將為原始連續(xù)時(shí)間輸入的第一奈奎斯特區(qū)混疊表示。

圖2：AD7902的通道1（以1 MSPS對(duì)10 kHz信號(hào)音采樣）

圖3：AD7902的通道1（以15.625 KSPS對(duì)10 kHz信號(hào)音欠采樣）

欠采樣可能具有優(yōu)勢(shì)的另一個(gè)例子是多通道順序采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這些系統(tǒng)一般由一個(gè)SAR ADC構(gòu)成，帶有一個(gè)多路復(fù)用模擬前端，以固定間隔按已知順序轉(zhuǎn)換。在這種情況中，各個(gè)通道的有效采樣速率以系統(tǒng)中使能通道數(shù)的函數(shù)下降。例如，在一個(gè)八通道系統(tǒng)中，如果SAR ADC運(yùn)行于1 MSPS下，則每隔八個(gè)樣本代表一個(gè)相應(yīng)的通道。因此，給定通道的采樣速率僅為1 MSPS的1/8（125 ksps）。可以看到，在一個(gè)多路復(fù)用順序采樣系統(tǒng)中，單個(gè)通道的奈奎斯特頻率是如何快速降低的。

ADI公司提供AD7091R-8，這是一款超低功耗的12位、八通道1 MSPS SAR ADC，內(nèi)置一個(gè)基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)用戶(hù)可編程的通道序列器。該器件采用4 mm x 4 mm LFCSP微型封裝，工作于3 V電源和1 MSPS采樣速率時(shí)，其功耗不高于1.7 mW。在AD7091R-8上，如果使能全部八個(gè)通道，器件就會(huì)按從通道0到通道7的順序，自動(dòng)重復(fù)順序采樣。當(dāng)ADC的采樣速率為1 MSPS時(shí)，每個(gè)通道將以125 ksps的速率采樣。因此，相對(duì)于1 MSPS單通道系統(tǒng)，給定通道的奈奎斯特頻率從500 kHz降低到62.5 kHz。在多路復(fù)用器的一個(gè)通道上監(jiān)控75 kHz信號(hào)音，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生連續(xù)時(shí)間信號(hào)的混疊表示，其基頻為50 kHz。如后續(xù)各圖所示，當(dāng)通過(guò)使能AD7091R-8上的額外通道修正奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，動(dòng)態(tài)性能并未下降。

圖4：AD7091R-8監(jiān)控75 kHz信號(hào)音（僅使能一個(gè)通道）。

圖5：AD7091R-8監(jiān)控75 kHz信號(hào)音（使能八個(gè)通道，通道采樣速率為125 ksps）。

本文闡述了這樣一種想法：在通信系統(tǒng)以外，有些應(yīng)用可以用到欠采樣理論。這些應(yīng)用可能包括RMS-DC轉(zhuǎn)換、交流應(yīng)變計(jì)、傳播時(shí)間、超聲電平測(cè)量和多路復(fù)用采樣。用SAR ADC實(shí)現(xiàn)欠采樣系統(tǒng)可能帶來(lái)巨大的性能和功耗優(yōu)勢(shì)。不但可以放寬系統(tǒng)的總體限制，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)電路的總體目標(biāo)。