∑-ΔADC(第三部分):新訣竅

　　ADC首先要考慮的基本要求是分辨率、精度和帶寬：其它需要考慮的重要事項包括信噪性能、失真和等待時間。一些應用需要快速響應來處理來自傳感器的高頻或者連續(xù)讀數(shù)。而在另一些應用中，在ADC內(nèi)多路傳輸多重信號的能力很重要，例如，對于那些能夠同步監(jiān)控和集成來自多個傳感器的實時輸入信息的PLC。

　　設備成本以及任何所需支持電路的成本對于組件的選擇同樣重要。這對于ADC來說是非常重要的，尤其是當被應用到高性能多路傳輸環(huán)境中時，因為根據(jù)所選ADC的類型，所需的支持電路會有很大的差別。

　　傳統(tǒng)的SAR方法

　　通常情況下，之前提到的高性能應用類型是根據(jù)逐次求近寄存器(SAR)ADC設計的，這類ADC可以及時在各個連續(xù)點處提供一系列“瞬像”。SARADC一般定位于面向那些需要快速響應和等待時間相對少的應用。但是，由于他們對噪聲很敏感，而且擁有相對低的差分非線性特性(DNL)，因此通常需要重要的支持電路，增加了總成本和設計的復雜性。

　　較差的線性不能通過對信號的過采樣來達到平衡。為了進行補償，設計工程師必須過多地細化ADC，并使系統(tǒng)設計保有一定的余量。相似的，在固有噪聲環(huán)境中，SAR ADC的高噪聲敏感度和有限的噪聲抑制能力對工程師來說是一個額外的設計挑戰(zhàn)，尤其當產(chǎn)品被用于生產(chǎn)車間或多波段ATE系統(tǒng)群中的PLC上。

　　相反，△ Σ ADC通常能夠更好地傳遞DNL和噪聲性能，并且只需要相對簡化的支持電路。但是，人們并不認為它們適合用于那些需要低等待時間和高轉(zhuǎn)換速率來實現(xiàn)寬信號帶寬的高性能應用。

　　新型結(jié)構(gòu)

　　來自Cirrus Logic公司的高通量ADC的CS556x/7x/8x系列產(chǎn)品包括16和24位設備，圍繞一個先進的高通量△Σ結(jié)構(gòu)建立，該△ Σ結(jié)構(gòu)是專門為了解決每次高達200Ksps的轉(zhuǎn)換速度而設計的。這提供了高響應低等待時間性能，這些性能和SAR ADC相當或者更好，使它們可以在那些通常需要SARADC的應用中作為一個具有成本效益的替代品。

　　單循環(huán)等待時間

　　CS556x/7x/8x系列產(chǎn)品和一個快速FIR型濾波器相結(jié)合具有兩個主要優(yōu)勢。第一，濾波器接近取樣頻率的2倍，為用戶提供不受限制的頻率響應。第一，濾波器被快速處理，并在取樣周期的末期發(fā)送了一個新的輸出字。這個單轉(zhuǎn)換等待時間使新設備能夠提供和△ Σ ADC(具有很高的采樣頻率和SAR轉(zhuǎn)換器的Nyquist帶寬)一樣的噪聲和DNL性能。

　　這個新設計也克服了許多傳統(tǒng)SAR設備所強加的“靜肅時間”，在采樣過程中，這段時間里的ADC輸出不能被存取。對這些新△ Σ的測試證明存儲數(shù)字輸出在轉(zhuǎn)換周期的任何時候，對設備的性能都沒有影響，包括在全速運行時。

　　緩沖輸入的優(yōu)勢

　　SAR型轉(zhuǎn)換器解決了很多設計難題，并且除了模擬信號輸入以外，在其他領域亦有應用，設計師必須注意組件選擇和電路設計，從而在多路噪聲源存在的情況下保證測量的精確度。考慮到SAR轉(zhuǎn)換器自身可能就是一個大的噪聲源(由于其設備中的高速比較儀和快速變化數(shù)字電路)，這就不是一個小成就了。

　　相比之下，△ Σ轉(zhuǎn)換器除了超高的精確度外，對噪聲敏感度也很低。新設備具有集成高阻抗輸入緩沖放大器，這使它可以在無需復雜的外部輸入緩沖電路的情況下很容易達到完全細化的性能。SAR設備通常利用一些取樣保持型電路來維持在轉(zhuǎn)換過程中被抽樣的收入信號的穩(wěn)定表現(xiàn)。因此，輸入常表現(xiàn)為對信號源的非常低的阻抗。在一些應用中，這個高通量△ Σ設備的新產(chǎn)品系列可以(在某些情況下)被傳感器直接驅(qū)動，無須通常在SAR中使用的緩沖放大器。

　　由于在輸入端進行過采樣，如使用24位CS5560/1設備時以160采樣/轉(zhuǎn)換速率，8MHz速率進行采樣，△ Σ調(diào)節(jié)線圈中的低通濾渡器和在數(shù)字濾波器中進行的數(shù)字平均抑制或忽略導致SAR設備產(chǎn)生類似問題的大部分噪音。

　　在電流復合信號環(huán)境中所遭遇的另一個問題是單輸入操作。CS556x/7x/8x系列產(chǎn)品在±2.5V輸入時的操作具備真正的雙極模擬輸入能力。對于測量地面參考AC信號或者負向輸出傳感器的用戶，這是一個很大的優(yōu)勢;一個電平移位放大器需要移動一個低于地面的信號來滿足單輸入轉(zhuǎn)換器的輸入要求，引入額外的噪聲和對敏感的低水平信號的偏移誤差。

　　下一章節(jié)詳細介紹了關鍵參數(shù)的性能比較，例如失真性能和動態(tài)非線性。

　　失真和DHL

　　圖1和2展示了一個廣泛應用的SAR設備和高通量△ ∑ CS5571的失真性能比較。在-12dB最大標定情況下，SAR顯示出91.6dB的信號失真(S/D)比，而CS5571的S/D比為100dB。

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　　差分非線性(DNL)主要是代碼寬度的測量結(jié)果，被標準化到最大標定。這是來自相同或平均編碼尺寸的絕對偏差，它導致了一個編碼與另一個編碼在電壓步長上的差異，代表了編碼型號的真實差異，該差異對遺漏碼、增益和偏移誤差都有影響。從一個競爭對手的最主要的SAR設備中測得的SAR DNL圖，顯示了在代碼大小方面的差異而配套的CS5571 DNL結(jié)果在以相同轉(zhuǎn)換速度的運行期間顯示出更低的誤差。

　　典型應用場景

　　這種高分辨率和不受限信號帶寬的結(jié)合使設計師能夠完成噪聲處理和信號過濾的任務，這些任務是根據(jù)其特殊的應用需求量身定做的。在可應用的場合下(甚至包括自適應濾波)，系統(tǒng)可動態(tài)調(diào)整其濾波器來適應不斷變化的環(huán)境。

　　最令人興奮的應用領域是用于PLC和過程控制系統(tǒng)中的嵌入設計能力。工業(yè)自動化環(huán)境已朝著分散控制、應用簡潔、多功能系統(tǒng)的方向邁進，這些系統(tǒng)適合處理各種實時傳感器輸入，并提供嵌入式智能和閉環(huán)響應來執(zhí)行本地決策環(huán)。高通量△ ∑ ADC使設計師能夠在保證高測量精度維持一定的DNL性能水平的同時，引入高分辨率和低等待時間。實時閉環(huán)應用需要“無遺漏碼”功能，并且必須避免在ADC轉(zhuǎn)移功能中的步進(這可能導致操縱系統(tǒng)狀態(tài)的不確定)。

　　自動測試設備(ATE)需要實時監(jiān)控并處理多路同步輸入流。這里，一致的DNL性能對于得到精確的測量結(jié)果非常重要，尤其是長時間持續(xù)監(jiān)控刪試信息并監(jiān)視很小甚至微小信號差異的時候。對于那些用于測試并測量對噪聲敏感的設備的ATE系統(tǒng)，SAR ADC固有的噪聲敏感度將與測試結(jié)果相互干擾。設計師通常用具有比設計要求更高的分辨率和速度的SAR型轉(zhuǎn)換器以及平均多重抽樣來獲得想要的系統(tǒng)測試精度。高通量△ ∑轉(zhuǎn)換器新系列產(chǎn)品可以精確傳送每一個讀數(shù)，無需過高的分辨率抽樣速率以及對非最佳結(jié)果的后過程處理。

　　在醫(yī)療儀器領域，諸如床邊監(jiān)控器、血液分析儀以及其它診斷系統(tǒng)設備通常采用12到16位ADC。過渡到具有更高分辨率的ADC使設計師能夠直接將傳感器信號數(shù)字化，而無需前置放大，并且在軟件中進行信號增益和偏差矯正，同時改進了精度和分析靈話性。

　　重量測量需要更高的精度持續(xù)測量，并且對于執(zhí)行高精度批量控制和高速稱重功能來說非常重要。實際生產(chǎn)的產(chǎn)品可以大到笨重的大塊產(chǎn)品(如混凝土)，小到消費產(chǎn)品(如薯片)，但是，對準確性和快速響應的需求對于達到質(zhì)量和產(chǎn)量目標來說非常重要。