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、測試儀器分析及測試儀表、醫(yī)學(xué)儀表等領(lǐng)域。正因為它的用途如此廣泛，所以作系統(tǒng)設(shè)計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)計技術(shù)，這樣才能實現(xiàn)工控或檢測系統(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。在此僅對三類作分析。

1.1Delta-Sigma( △∑ )ADC

基本架構(gòu)

△∑ADC由一個△∑調(diào)制器以及后序的數(shù)字抽樣濾波器組成。 調(diào)制器由一個帶DAC的反饋回路紐成，回路中包括了一個比較器及一個積分器?；芈吠ㄟ^時鐘同步?；窘M成架構(gòu)見圖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MHz)的信號。在△∑ADC中，輸入信號先通過一個調(diào)制器實現(xiàn)過采樣，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換取速度，或同時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，從而使單個器件能滿足多個不同度量的需求。

△∑轉(zhuǎn)換器對輸入過采樣，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。原來不同尋常的某些功能，諸如對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“映像”，通過對“映像”的分析決定響應(yīng)的數(shù)字代碼。而△∑測量的是一段確定時間的輸入信號，其輸出響應(yīng)的數(shù)字代碼是根據(jù)信號的時間平均得來的。對于△∑的工作方式有清晰的認(rèn)識是很重要的，特別是對于設(shè)計中包含多路復(fù)用技術(shù)及同步的情況。

對多個△∑轉(zhuǎn)換器的同步并不困難，因此很容易實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器的同時刻采樣，而比較困難的則是實現(xiàn)△∑轉(zhuǎn)換器與外部事件的同步?！?sum;轉(zhuǎn)換器還對系統(tǒng)時鐘抖動(CIock iftter)有極高的抵抗能力。其過采樣功能有效的平均了抖動，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、分析及測試儀表、醫(yī)學(xué)儀表。

近期ADC架構(gòu)領(lǐng)域的革新帶來了新一代的ADC架構(gòu)，此架構(gòu)同時采用了流水線及過采樣率準(zhǔn)則。因此，超高速轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)率推向了MSP5(百萬抽樣率每秒)的級別，同時保持了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--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，并通過降低過采樣率(OSR)提高了信號量化噪聲比(SQNR)。此外，該高速的△∑轉(zhuǎn)換器具有非常強的系統(tǒng)時鐘抖動耐受性。過采樣的操作弱化了抖動，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處理的應(yīng)用。以用于生物醫(yī)學(xué)、臺架(bench)測試和測量以及通信應(yīng)用中先進的科學(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)。比較的坌過程是通過模擬輸入信號與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輸出信號逐步逼近模擬信號．并最終完成轉(zhuǎn)換。基本組成架構(gòu)見圖2所示。

圖2