如何使用外部模拟驱动器协助 ADC

我一直有个问题，使用模数转换器 (ADC) 是否像将传感器输出连接到其模拟输入并开始读取读数一样简单?精明的读者看到我只回答了这个问题的一部分——地面通常是 ADC 读数失控的罪魁祸首，但它不是唯一的。

驱动模拟输入也值得制造商关注。三种情况需要使用外部模拟驱动器来辅助 ADC。让我们考虑小信号、噪声信号和更快信号的情况。

1. 使用尽可能多的范围

许多模拟传感器从最小读数到最大读数产生非常小的电压摆幅。此外，理论摆动与操作过程中看到的实际摆动可能存在很大差异。工程师喜欢为最坏的情况调整大小。在没有外部帮助正确缩放信号的情况下使用 ADC 可能是一个坏习惯。

一个简单的例子是专为家庭使用而设计的温度计。从 35°C 的低温到 41°C 的高热的读数可能仅使用设备中传感器的部分测量能力。另一个例子是加速度计。当预期为 ±6 g 时，不需要 ±30 g 零件。

当读数仅使用范围的一小部分时会发生什么?想想看。如果高 8 位在 ADC 操作期间从未改变，那么恭喜，我们已经将 12 位转换器变成了 4 位转换器。降低分辨率，信号中的细微差别就会消失。

这意味着制造商设计传感器系统需要三个步骤：

· 选择一个范围足够大的传感器，加上正常操作期间预期的摆动余量。

· 如果担心中点毛刺，请放大并移动传感器信号以占用 ADC 输入范围的一半。

· 选择具有适当分辨率的 ADC 以将读数间隔在该半范围内。

1. 处理一点噪音，或者更多

外部放大也以另一种方式有所帮助。更强的模拟信号更能抗噪，而数字平均 ADC 读数有助于消除白噪声。稍微提升一点可能会提高信噪比 (SNR)，足以让单端模拟子系统产生良好的结果。

上次我们谈到了单端与差分信号的概念。单端方法仅使用一根线来传输模拟信号，其返回路径依赖于系统范围的接地。差分方法使用两根导线，一根加号和一根减号，产生与接地无关的电压差。双绞线可以帮助差分信号保持安静，为两条线上的噪声提供消除效果。

这里暗示使用差分输入升级到 ADC。大多数低成本 ADC，包括微控制器上的 ADC，都是单端的。差分输入是较高采样率的精密 ADC 的一个共同特征，可能值得获得预期的位数。

1. 更高的采样率

尽管我们尽最大努力简化事情，但有时物理学变得不可避免。在许多 ADC 架构中，它们的模拟输入看起来是电容性的，这使事情变得更加复杂。例如，一些 ADC 在采样保持中使用开关电容方案来稳定捕获信号。信号变化太大，电流驱动太小，充电时间不够，样本永远达不到输入信号的电平。

克服电容性浪涌需要能够快速泵送足够电流的 ADC 驱动器。压摆率测量驱动器响应其输入产生输出电压变化的速度。高压摆率 ADC 驱动器还需要更多带宽，带宽是驱动 ADC 采样率的 5 到 10 倍。在雷达和 5G 设计中非常高的采样率下，传输线理论和阻抗匹配开始发挥作用，这超出了大多数制造商的范围。

更容易为工作选择零件

我们在 ADC 科学方面取得了很大进展，该科学正在成熟到优化部件针对某些应用的程度。大多数 ADC 供应商还可以选择为特定工作创建的 ADC 驱动程序。这使工程师能够处理差分信号、压摆率、带宽、共模噪声抑制等。

使用外部模拟驱动器辅助 ADC 为将信号从噪声中提取出来设置了正确的比例。结合跨越预期物理输入范围的传感器，驱动器使 ADC 可以使用更多的数字范围。随着速度的提高，ADC 驱动器可以帮助制造商在音频、无线电或视频应用中工作。