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高分辨率模數轉換器(ADC)概述
摘要: 高分辨率模數轉換器(ADC)概述-高分辨率ADC成本大幅降低為設計人員帶來諸多好處設計人員進行工業和數據采集項目設計時,很可能會遇到以下這些模數轉換問題:對極寬動態范圍內的輸入信號進行數字化處理。
Abstract:
Key words :

高分辨率模數轉換器(ADC)概述-高分辨率ADC成本大幅降低為設計人員帶來諸多好處

設計人員進行工業和數據采集項目設計時,很可能會遇到以下這些模數轉換問題:
 對極動態范圍">寬動態范圍內的輸入信號進行數字化處理,例如環境聲壓計要能在60至80dB范圍內檢測信號。
 適應不同來源且信號范圍截然不同的信號。
 解析某一確定值的上下微小變化,旨在擴展以該點為中心的范圍。
如果使用相對低分辨率的ADC,如10位有效分辨率,高電平信號的分辨率可能接近10位。然而,對于低電平信號,如果小于滿量程的10%,其有效分辨率可能不超過6或7位。因此在很多情況下,對于精度只有1%的傳感器來說,等效精度為0.1%的10位分辨率足夠了。然而,對于更低電平信號,有效分辨率可能小于1%。
設計問題的解決之道
這些設計問題有很多解決方法,以下主要列出三種:
 在相對較低分辨率ADC之前連接可編程增益放大器(PGA)。
 將輸入信號加在ADC之前連接的緩沖放大器
 使用高分辨率ADC。

下面逐一評估這些方法。

PGA法
歷史上,PGA方法曾經非常流行,因為與較低成本ADC配對使用時,它比高分辨率ADC更具成本優勢。此方法特別適用于輸入信號接近0V但具有較寬動態范圍的情況。

圖1是集成PGA的ADC原理示意圖

這類似于過程控制系統,需要監控具有不同信號范圍的各種傳感器信號,例如聲壓計。如果對較寬動態范圍的信號進行增益范圍調整,所產生的最關鍵誤差是“交越不匹配”。
這意味著當PGA切換到不同的增益值時,數字輸出可能在那個點發生上下跳變。因此,在每一級都必須小心匹配增益來降低這種影響。從不同信號源中復用信號時,這個問題并不重要。然而,這與系統是否針對每個信號設計固定增益有關,如圖2所示,或者對于較寬范圍信號輸入進行動態增益切換。
增益范圍調整方法會產生以下問題:
雖然可驅動一個12位ADC,但如果在其前放置一個增益為27 = 128的放大器,則放大器的有效輸入噪聲和失調電壓精度必須為18位。對于采用固定增益運算放大器,這會有問題,而采用PGA切換時,問題可能還會更嚴重。這樣,將精度要求從ADC轉移到PGA,卻沒有帶來任何好處。

圖2. 具有獨立外部緩沖放大器的ADC原理示意圖
 在進行增益切換時,必須先對信號有所了解。可使用ADC的超量程輸出,并配合軟件,或者通過比較器來實現這一點。這個過程很麻煩,而且切換時間也會是個問題。(也許您還記得古老的增益范圍調整DVM,在改變范圍時它的速度有多慢!)
 可以對增益為128的精密低噪聲運算放大器進行簡單的分析:計算有效輸出噪聲和失調電壓,并與低分辨率ADC的最低有效位(LSB)進行比較。然而,在高增益模式下,運算放大器的線性度會是個問題。
用分立器件設計PGA的相關信息見參考文獻1。

多緩沖放大器方法
如果傳感器或者信號源與內置ADC的數據采集單元有一定距離,可以使用多緩沖放大器方法(見圖2)。

單個高分辨率ADC
單個高分辨率ADC的優點是簡單(見圖3)。如果使用16位ADC,對于較小動態范圍的信號,丟失3、4或5位會使該信號的有效分辨率降至11至14位。然而,對于大多數傳感器來說此精度足夠了,因為ADC的精度相當于0.05%或更佳。
由于這些器件的價格最近已降到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,或者需要適應更寬的動態范圍,可以使用18至24位的ADC,仍然能提供性價比較高也更簡單的系統。

圖3. 單個高分辨率ADC的原理示意圖

圖3. 單個高分辨率ADC的原理示意圖
需解析0點附近某個信號值的微小變化時,顯然應選擇使用高分辨率ADC。這也是利用數模轉換器(DAC)補償大多數信號的替代方案。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整方法的一款較流行PGA是AD8250(見參考文獻2)。表1列出了一些ADC。

表1. 一些選定的ADC

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