高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)概述

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(lái)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(shí)，很可能會(huì)遇到以下這些模數(shù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題：
對(duì)極寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號(hào)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(cè)信號(hào)。
適應(yīng)不同來(lái)源且信號(hào)范圍截然不同的信號(hào)。
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(duì)低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高電平信號(hào)的分辨率可能接近10位。然而，對(duì)于低電平信號(hào)，如果小于滿量程的10%，其有效分辨率可能不超過(guò)6或7位。因此在很多情況下，對(duì)于精度只有1%的傳感器來(lái)說(shuō)，等效精度為0.1%的10位分辨率足夠了。然而，對(duì)于更低電平信號(hào)，有效分辨率可能小于1%。
設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決之道
這些設(shè)計(jì)問(wèn)題有很多解決方法，以下主要列出三種：
在相對(duì)較低分辨率ADC之前連接可編程增益放大器(PGA)。
將輸入信號(hào)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(píng)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(duì)使用時(shí)，它比高分辨率ADC更具成本優(yōu)勢(shì)。此方法特別適用于輸入信號(hào)接近0V但具有較寬動(dòng)態(tài)范圍的情況。

這類似于過(guò)程控制系統(tǒng)，需要監(jiān)控具有不同信號(hào)范圍的各種傳感器信號(hào)，例如聲壓計(jì)。如果對(duì)較寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)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(shí)，數(shù)字輸出可能在那個(gè)點(diǎn)發(fā)生上下跳變。因此，在每一級(jí)都必須小心匹配增益來(lái)降低這種影響。從不同信號(hào)源中復(fù)用信號(hào)時(shí)，這個(gè)問(wèn)題并不重要。然而，這與系統(tǒng)是否針對(duì)每個(gè)信號(hào)設(shè)計(jì)固定增益有關(guān)，如圖2所示，或者對(duì)于較寬范圍信號(hào)輸入進(jìn)行動(dòng)態(tài)增益切換。
增益范圍調(diào)整方法會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：
雖然可驅(qū)動(dòng)一個(gè)12位ADC，但如果在其前放置一個(gè)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(duì)于采用固定增益運(yùn)算放大器，這會(huì)有問(wèn)題，而采用PGA切換時(shí)，問(wèn)題可能還會(huì)更嚴(yán)重。這樣，將精度要求從ADC轉(zhuǎn)移到PGA，卻沒(méi)有帶來(lái)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(shí)，必須先對(duì)信號(hào)有所了解。可使用ADC的超量程輸出，并配合軟件，或者通過(guò)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程很麻煩，而且切換時(shí)間也會(huì)是個(gè)問(wèn)題。（也許您還記得古老的增益范圍調(diào)整DVM，在改變范圍時(shí)它的速度有多慢！）
可以對(duì)增益為128的精密低噪聲運(yùn)算放大器進(jìn)行簡(jiǎn)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(huì)是個(gè)問(wèn)題。
用分立器件設(shè)計(jì)PGA的相關(guān)信息見(jiàn)參考文獻(xiàn)1。

多緩沖放大器方法
如果傳感器或者信號(hào)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(jiàn)圖2）。

單個(gè)高分辨率ADC
單個(gè)高分辨率ADC的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖3）。如果使用16位ADC，對(duì)于較小動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，丟失3、4或5位會(huì)使該信號(hào)的有效分辨率降至11至14位。然而，對(duì)于大多數(shù)傳感器來(lái)說(shuō)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(jià)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(dòng)態(tài)范圍，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性價(jià)比較高也更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。

圖3. 單個(gè)高分辨率ADC的原理示意圖
需解析0點(diǎn)附近某個(gè)信號(hào)值的微小變化時(shí)，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(hào)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(jiàn)參考文獻(xiàn)2）。表1列出了一些ADC。