關(guān)于模擬數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)權(quán)衡的分析與研究

使用了過(guò)采樣，就可以用數(shù)字濾波器降低噪聲。過(guò)采樣與濾波器越多，則噪聲抑制能力越好，但系統(tǒng)會(huì)更慢。Ivchenko 指出，采用 22n 過(guò)采樣及使用一個(gè)數(shù)字均化濾波器會(huì)提高噪聲性能。下表列出了給定位數(shù)下需要多少過(guò)采樣才能提高噪聲性能的情形。
　　
對(duì)給定位數(shù)提高噪聲性能需要的過(guò)采樣值
　　
Ivchenko 在 ADC 后加了一個(gè)“磚墻式”（120 dB/倍頻程）數(shù)字有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器，以降低噪聲并提取出感興趣的頻譜。然后，他提取一部分?jǐn)?shù)據(jù)或作一個(gè)移動(dòng)平均，使采樣速率能為應(yīng)用所接受。

　　
低壓 ADC 與運(yùn)放要求有足夠的供電電流，才能在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間保持信號(hào)穩(wěn)定。Hyde 說(shuō)：“設(shè)計(jì)者挑選的運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)經(jīng)常沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。一個(gè)電壓基準(zhǔn)可能同時(shí)需要流出和流入電流?！币粋€(gè) ADC 可能有一個(gè)動(dòng)態(tài)輸入阻抗，而且可能需要一個(gè)低阻抗信號(hào)源作充分的耦合，才能維持基準(zhǔn)電壓電平。
　　
National Instruments 的模擬設(shè)計(jì)工程師 Luis Orozco 稱：“SAR 轉(zhuǎn)換器需要一種很低的輸出阻抗源來(lái)保持輸入信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間不會(huì)變化。由于 SAR ADC 一般對(duì)其電源表現(xiàn)為高動(dòng)態(tài)負(fù)載，我們要小心地旁路所有器件?！彼赋?，給一個(gè) ADC 配用正確的運(yùn)放非常重要。
　　
Orozco 說(shuō)：“一個(gè)運(yùn)放要具備實(shí)現(xiàn)特定 ADC 規(guī)格的性能，它消耗的電流要比 ADC 自身多數(shù)倍?！盇DC 的基準(zhǔn)輸入與信號(hào)輸入表現(xiàn)類似。低功耗器件（如電壓基準(zhǔn)）可能需要電容器或緩沖器，從而在 ADC 對(duì)基準(zhǔn)采樣時(shí)保持輸出的穩(wěn)定電平。
　　
Ivchenko 補(bǔ)充說(shuō)：“不僅如此，還應(yīng)采用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的旁路電容?？赡艿脑挶M量用 X7R 陶瓷電容，而不用鉭電容。電容器必須有足夠快的充放電速度，才能在轉(zhuǎn)換期間為 ADC 提供足夠的峰值電流?！备?ESR 會(huì)增加電容器的充放電時(shí)間。
　　
圖 2 給出了提供充足電流的兩種方法。在圖 2a 中，一只電容器存儲(chǔ)能量，當(dāng) ADC 需要更多電流來(lái)保持基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定時(shí)，電容為其供電。一般 22?F 的電容就夠用了，但要查看ADC 數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)確認(rèn)這一點(diǎn)。在圖 2b 中，運(yùn)放用于 ADC 電壓基準(zhǔn)的緩沖。運(yùn)放給電壓基準(zhǔn)提供了高阻抗輸入，同時(shí)其低阻抗輸出能為 ADC 提供充足的電流。雖然運(yùn)放方案更講究，但它為 Vref 增加了一個(gè)偏置電壓，這會(huì)增加系統(tǒng)噪聲、功耗，而且成本也更高。
　　
差分輸入
　　
為改善動(dòng)態(tài)范圍和噪聲抑制能力，應(yīng)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用差分輸入。使用差分輸入時(shí)（與單端輸入相反），兩根信號(hào)線上的任何信號(hào)都被共模抑制（CMR）放大器或 ADC 排除掉了。如果傳感器輸出是單端的，可使用一種單端-差分轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路（圖 3）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為使用單端輸入或差分輸入。
　　
很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都用一個(gè)復(fù)用器來(lái)增加通道。復(fù)用器中的電阻與電容會(huì)影響信號(hào)的完整性。例如，來(lái)自復(fù)用器的電荷注入會(huì)將 DC 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?AC 信號(hào)。導(dǎo)通電阻（Ron）與寄生電容相結(jié)合，就形成了一個(gè)低通濾波器，它有一個(gè) RC 時(shí)間常數(shù)。圖 4 表示如果時(shí)間常數(shù)相對(duì)于采樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)發(fā)生的事情。