逐次比較式ADC 采樣頻率的選取及應(yīng)用

　　摘要: 在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)， 一項(xiàng)重要的任務(wù)是選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 的采樣頻率L 根據(jù)采樣理論， 采樣頻率至少應(yīng)為輸入信號(hào)帶寬的兩倍， 實(shí)際往往采用更高的采樣頻率來保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度L 但當(dāng)逐次比較式ADC 的采樣頻率過高時(shí)， 會(huì)使其內(nèi)部采樣保持的開關(guān)電容充電不充分， 從而導(dǎo)致ADC 轉(zhuǎn)換誤差過大L選擇一個(gè)合適的采樣頻率是保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵L通過建立ADC 及前向通道的等效模型及推導(dǎo)， 在保證ADC 的轉(zhuǎn)換精度下， 推出ADC 的采樣時(shí)間與信號(hào)放大電路輸出阻抗的匹配關(guān)系， 得到ADC 最合適的采樣頻率。

　　關(guān)鍵詞：逐次比較式；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；開關(guān)電容；采樣時(shí)間；轉(zhuǎn)換精度

　　引　言

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前向通道一般是由三部分組成的: 傳感器， 信號(hào)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 。 逐次比較式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊及其它工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器L在設(shè)計(jì)這類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)， 一項(xiàng)重要的任務(wù)是選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 的采樣頻率。 根據(jù)采樣理論， 信號(hào)的采樣頻率至少應(yīng)為輸入信號(hào)帶寬的兩倍，實(shí)際往往采用更高的采樣頻率來保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。 但當(dāng)逐次比較式ADC 的采樣頻率過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致ADC 轉(zhuǎn)換誤差過大。這是因?yàn)檫@類ADC 的采樣保持部分是采用開關(guān)電容陣列的結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)是靠信號(hào)放大電路的輸出電壓對(duì)其內(nèi)部的開關(guān)電容陣列進(jìn)行充電， 即ADC 的采樣階段。 然后對(duì)電容陣列的電壓值進(jìn)行保持及轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字量L而對(duì)開關(guān)電容陣列進(jìn)行充電需要一定時(shí)間， 如果ADC 的采樣時(shí)間過短， 會(huì)導(dǎo)致ADC 內(nèi)部的開關(guān)電容陣列并未完全充電， 即此時(shí)ADC 采得電壓值低于實(shí)際電壓值。 從而導(dǎo)致后面轉(zhuǎn)換結(jié)果與實(shí)際誤差過大而無效。 因此采樣時(shí)間必須能保證開關(guān)電容陣列的充分充電， 才能保證采樣值的精度。而開關(guān)電容陣列的充電時(shí)間取決于信號(hào)放大電路的輸出電阻和ADC 的轉(zhuǎn)換位數(shù)。 本文推導(dǎo)出ADC 的采樣時(shí)間與信號(hào)放大電路輸出阻抗的匹配關(guān)系， 在保證ADC的轉(zhuǎn)換精度下， 得到不同轉(zhuǎn)換位數(shù)ADC 的最佳采樣頻率。

　　模擬輸入電路的分析

　　測(cè)控系統(tǒng)的傳感器和信號(hào)放大電路經(jīng)常采用差動(dòng)式放大器和運(yùn)算放大器變換電路等組成， 根據(jù)戴維南原理(Thven in’s theo rem ) ， 可將其簡(jiǎn)化成一個(gè)放大后的等效電壓信號(hào)源。 而逐次比較式ADC 的開關(guān)電容陣列結(jié)構(gòu)， 在其采樣期間， 等效于一個(gè)等效電容通過一個(gè)等效內(nèi)部電阻與信號(hào)源相連L因此整個(gè)前向通道可等效并簡(jiǎn)化為圖1。 圖1 的等效電路對(duì)本文所分析T i 公司的TLC54X， TLC154X 和TLC254X 系列的逐次比1 較式ADC 都是有效的。

　　由于對(duì)圖1 中ADC 的等效電容C i 的充電是呈指數(shù)變化， 見圖2根據(jù)理論分析， 充電時(shí)間越長， 其上的電壓U c 只是無限接近于等效信號(hào)源的電壓U s為保持一定采樣頻率， 在以下的分析中， 假定當(dāng)?shù)刃щ娙軨 i 上的電壓值達(dá)到了1/16 L SB 的誤差范圍之內(nèi)， 即算其進(jìn)行了完全充電L因?yàn)樵诖瞬蓸诱`差下，再把其它的內(nèi)部誤差， 如DNL 和NL 一起統(tǒng)計(jì)進(jìn)來， 可把總共的轉(zhuǎn)換誤差控制在 1/2 L SB 之內(nèi)。