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高分辨率模数转换器(ADC)概述

时间：2011-01-02 19:17:41

关键字：模数转换器高分辨率 ADC BSP

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[导读]高分辨率模数转换器(ADC)概述-高分辨率ADC成本大幅降低为设计人员带来诸多好处设计人员进行工业和数据采集项目设计时，很可能会遇到以下这些模数转换问题：对极宽动态范围内的输入信号进行数字化处理，例如环境声

高分辨率模数转换器(ADC)概述-高分辨率ADC成本大幅降低为设计人员带来诸多好处

设计人员进行工业和数据采集项目设计时，很可能会遇到以下这些模数转换问题：
对极宽动态范围内的输入信号进行数字化处理，例如环境声压计要能在60至80dB范围内检测信号。
适应不同来源且信号范围截然不同的信号。
解析某一确定值的上下微小变化，旨在扩展以该点为中心的范围。
如果使用相对低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高电平信号的分辨率可能接近10位。然而，对于低电平信号，如果小于满量程的10%，其有效分辨率可能不超过6或7位。因此在很多情况下，对于精度只有1%的传感器来说，等效精度为0.1%的10位分辨率足够了。然而，对于更低电平信号，有效分辨率可能小于1%。
设计问题的解决之道
这些设计问题有很多解决方法，以下主要列出三种：
在相对较低分辨率ADC之前连接可编程增益放大器(PGA)。
将输入信号加在ADC之前连接的缓冲放大器。
使用高分辨率ADC。

下面逐一评估这些方法。

PGA法
历史上，PGA方法曾经非常流行，因为与较低成本ADC配对使用时，它比高分辨率ADC更具成本优势。此方法特别适用于输入信号接近0V但具有较宽动态范围的情况。

这类似于过程控制系统，需要监控具有不同信号范围的各种传感器信号，例如声压计。如果对较宽动态范围的信号进行增益范围调整，所产生的最关键误差是“交越不匹配”。
这意味着当PGA切换到不同的增益值时，数字输出可能在那个点发生上下跳变。因此，在每一级都必须小心匹配增益来降低这种影响。从不同信号源中复用信号时，这个问题并不重要。然而，这与系统是否针对每个信号设计固定增益有关，如图2所示，或者对于较宽范围信号输入进行动态增益切换。
增益范围调整方法会产生以下问题：
虽然可驱动一个12位ADC，但如果在其前放置一个增益为27 = 128的放大器，则放大器的有效输入噪声和失调电压精度必须为18位。对于采用固定增益运算放大器，这会有问题，而采用PGA切换时，问题可能还会更严重。这样，将精度要求从ADC转移到PGA，却没有带来任何好处。

图2. 具有独立外部缓冲放大器的ADC原理示意图
在进行增益切换时，必须先对信号有所了解。可使用ADC的超量程输出，并配合软件，或者通过比较器来实现这一点。这个过程很麻烦，而且切换时间也会是个问题。（也许您还记得古老的增益范围调整DVM，在改变范围时它的速度有多慢！）
可以对增益为128的精密低噪声运算放大器进行简单的分析：计算有效输出噪声和失调电压，并与低分辨率ADC的最低有效位(LSB)进行比较。然而，在高增益模式下，运算放大器的线性度会是个问题。
用分立器件设计PGA的相关信息见参考文献1。

多缓冲放大器方法
如果传感器或者信号源与内置ADC的数据采集单元有一定距离，可以使用多缓冲放大器方法（见图2）。

单个高分辨率ADC
单个高分辨率ADC的优点是简单（见图3）。如果使用16位ADC，对于较小动态范围的信号，丢失3、4或5位会使该信号的有效分辨率降至11至14位。然而，对于大多数传感器来说此精度足够了，因为ADC的精度相当于0.05%或更佳。
由于这些器件的价格最近已降到5美元或更低，因此成本将不再是需要考虑的因素。如果需要更高的有效分辨率，或者需要适应更宽的动态范围，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性价比较高也更简单的系统。

图3. 单个高分辨率ADC的原理示意图
需解析0点附近某个信号值的微小变化时，显然应选择使用高分辨率ADC。这也是利用数模转换器(DAC)补偿大多数信号的替代方案。在有些情况下，这仍然是一种可行的选择。目前适合增益范围调整方法的一款较流行PGA是AD8250（见参考文献2）。表1列出了一些ADC。