數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器:集成、低成本更需了解系統(tǒng)

業(yè)界分析人士都一致認(rèn)為，便攜性、"綠色"節(jié)能以及在終端設(shè)備中集成更多的傳感器是系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。這些趨勢(shì)推動(dòng)了對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模 (DAC) 轉(zhuǎn)換器高通道數(shù)、高速度和高性能的需求，同時(shí)也要求更低的功耗預(yù)算、更小的體積和更低的成本。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器廠商們正通過(guò)制造更多集成了其他電路組件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足這些需求。許多微控制器內(nèi)核的周?chē)辛舜罅康耐鈬骷?，但是一些性能需求正推?dòng)某些專(zhuān)用模擬前端或其他模擬"配套"芯片的發(fā)展，其與一塊單獨(dú)的處理器協(xié)調(diào)工作。

　　例如，TI 最近推出的 ADS1298。這是一套完整的心電圖 (ECG) 系統(tǒng)前端器件。它將 8 個(gè)具有可編程增益放大器的 24 位 ADC 和大量配套電路一起集成到單個(gè) BGA 或 TQFP 封裝中。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為單封裝集成系統(tǒng)的組成部分，它們往往會(huì)變?yōu)楦犹囟ǖ膽?yīng)用;ADS1298 的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)提及了許多具體功能和術(shù)語(yǔ)，而 ECG 設(shè)備行業(yè)以外的一些制造廠商可能并不熟悉這些東西。這是否就意味著您只能將 ADS1298 用于 ECG 應(yīng)用呢?

　　若我們想要研究這些集成器件，了解它們?nèi)绾巫屇南到y(tǒng)受益，只需對(duì)其進(jìn)行分解并看它們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)所謂的信號(hào)鏈即可，如圖 1 所示。

　　圖 1 信號(hào)鏈結(jié)構(gòu)圖

　　圖 1 所示結(jié)構(gòu)圖能代表對(duì)某個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理的所有系統(tǒng)。如果它是一個(gè)測(cè)量或者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，則信號(hào)鏈開(kāi)始于傳感器，通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路傳輸，進(jìn)入 ADCr，然后以處理器作為結(jié)束。如果它是一個(gè)控制系統(tǒng)，或者一個(gè)音頻處理系統(tǒng)，又或者是一個(gè)軟件無(wú)線電設(shè)備，則可能會(huì)有一些必須轉(zhuǎn)回模擬信號(hào)的處理器輸出;具體請(qǐng)見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖右手側(cè)二分之一處。

　　不管您想要設(shè)計(jì)的是哪一種系統(tǒng)，都有一種較好的方法來(lái)選定實(shí)現(xiàn)您的信號(hào)鏈的一些組件。一般而言，處理器是要選定的第一個(gè)組件。它的選定一般是基于對(duì)該器件(您的公司已經(jīng)在以前的一些設(shè)計(jì)中使用過(guò)的器件)的熟悉程度，或者針對(duì)其具有的特定外圍器件和功能來(lái)選擇。因此，您可以從圖 1 中心位置開(kāi)始，然后向外循序漸進(jìn)。

　　這就意味著，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是下一個(gè)需要做出的選擇，而以模擬電路作為開(kāi)始是符合邏輯的。讓我們假設(shè)我們正設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，因此我們只需要思考如何選擇一個(gè) ADC。這里，重要的問(wèn)題是您的測(cè)量系統(tǒng)需要多高的精度，以及您進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要多快的速度。當(dāng)然，還有許多其他事項(xiàng)需要考慮，但重要的是速度和精度。請(qǐng)注意，我并沒(méi)有說(shuō)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有多少位之類(lèi)的話—只是說(shuō)您的測(cè)量系統(tǒng)需要多高的精度(物理參數(shù))。就這點(diǎn)而言，更好的說(shuō)法是您的測(cè)量系統(tǒng)需要至少 250ppm 的精度，而非選定一個(gè) 12 位的轉(zhuǎn)換器。

　　如果我們真的由里向外進(jìn)行，則下一個(gè)步驟就是信號(hào)調(diào)節(jié)了，但其目的是接收傳感器提供的所有信號(hào)，然后將其與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍匹配。因此，我們首先必須明白傳感器提供給我們的是什么樣的信號(hào)。比如說(shuō)，傳感器最大能夠輸出 2V，那么您希望傳感器能測(cè)量的大小便為 2*250ppm = 0.5mV。

　　現(xiàn)在，您可以考慮如何測(cè)量該 0.5mV 變化了。完成這一工作的一種方法是使用一個(gè)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益處理，以求讓其與您轉(zhuǎn)換器的滿度范圍相匹配—假設(shè)它為 5V。利用 2.5 增益，傳感器的 0.5mV 變?yōu)?1.25mV，因此轉(zhuǎn)換器需要從 5V 解析出 1.25mV，即 1/4000。因此，一個(gè) 12 位轉(zhuǎn)換器可以起作用。另一種方法是使用一個(gè)可以直接測(cè)量 0.5mV 的高精度轉(zhuǎn)換器，其完全不需要信號(hào)調(diào)節(jié)。選擇哪種方法，具體取決于去除放大器而使用高精度轉(zhuǎn)換器所節(jié)省的功率、體積和成本的多少。還可能存在另一種情況，即傳感器阻抗使其無(wú)法直接進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，這時(shí)我們就不能去除放大器。

　　理解系統(tǒng)信號(hào)鏈以及每個(gè)模塊的需求，可幫助您確定這些高度集成的轉(zhuǎn)換器中