ADC轉(zhuǎn)換器輸入概述

當(dāng)今的許多儀器儀表和過程控制應(yīng)用使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換傳感器的模擬輸出進(jìn)行處理和/或存儲(chǔ)。對于電壓輸入ADC，存在三種不同的輸入結(jié)構(gòu)類型：單端、偽差分和全差分。本教程解釋了輸入類型之間的差異、優(yōu)勢和權(quán)衡。

當(dāng)今的許多電子儀器都依賴于微控制器或數(shù)字信號處理器（DSP）來處理現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號。傳感器將溫度或壓力等自然參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC或A/D轉(zhuǎn)換器）將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

對于電壓輸入ADC，存在三種不同的輸入結(jié)構(gòu)類型：單端、偽差分和全差分。

最簡單的解決方案是選擇與傳感器輸出相匹配的ADC輸入結(jié)構(gòu)。但是，應(yīng)考慮每種結(jié)構(gòu)的權(quán)衡。此外，如果在傳感器和ADC之間使用信號調(diào)理電路，該電路會(huì)影響ADC輸入結(jié)構(gòu)的選擇。一些ADC是可配置的，允許在單端或偽差分輸入結(jié)構(gòu)（MAX186、MAX147）之間進(jìn)行選擇，而其他ADC允許在單端或全差分（MAX1298、MAX1286）之間進(jìn)行選擇。

全差分輸入

為了獲得最大的噪聲抑制，請使用全差分輸入。圖1所示為全差分ADC T/H輸入結(jié)構(gòu)示例。在跟蹤模式下，Csample（+） 充電至 [AIN（+） D VDD/2] 和 Csample（-） 電荷為 [AIN（-） D VDD/2].當(dāng)T/H切換到保持模式時(shí)，Csample（+）和Csample（-）串聯(lián)在一起，因此提供給ADC的電壓樣本是AIN（+）和AIN（-）的差值。差分架構(gòu)與T/H中可接受的輸入帶寬相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)良好動(dòng)態(tài)共模抑制的關(guān)鍵因素。

圖1.全差分 T/H 載物臺(tái)。

在嘈雜的環(huán)境中，耦合噪聲可能導(dǎo)致差分輸入超過ADC允許的輸入電壓范圍。為獲得最佳性能，請減小輸入信號范圍，以確保不超過ADC輸入范圍。

差分信號的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是動(dòng)態(tài)范圍增加。隨著電源降至3.3V或更低，設(shè)計(jì)工程師正在尋找實(shí)現(xiàn)更大輸入動(dòng)態(tài)范圍的方法。理論上，給定單端和全差分輸入的相同電壓范圍，全差分輸入的動(dòng)態(tài)范圍將是其兩倍（圖 2）。這是因?yàn)閮蓚€(gè)差分輸入可能180°異相，如圖3所示。

圖2.全差分模式 - AIN（+） 和 AIN（-） - 180° 異相。

圖3.全差分模式與單端模式使ADC動(dòng)態(tài)范圍翻倍。

另一種思考方式是與信噪比（SNR）有關(guān)。SNR根據(jù)ADC的滿量程輸入電平和最小可檢測信號來定義：

最小可檢測信號通常受本底噪聲的限制。由于全差分輸入具有滿量程輸入電壓電平的2倍，并且具有出色的直流和交流共模抑制（表現(xiàn)為噪聲），因此SNR增加。

浮動(dòng)差分輸入

理想情況下，共模電壓超過GND和V。DD可以存在于差分系統(tǒng)中，前提是差分電壓不超過ADC輸入范圍。實(shí)際上，只有當(dāng)傳感器和ADC隔離時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在圖4的示例中，AIN（+）和AIN（-）處的電壓落在ADC規(guī)定的輸入范圍內(nèi)，但傳感器輸出電壓上的大共模電壓迫使ADC輸入超過最大輸入電壓規(guī)格。

圖4.高共模電壓。

圖5顯示了相同的系統(tǒng)，但使用具有電氣隔離接地的獨(dú)立電源。R偏見將輸入偏置為 V裁判/2，以盡量減少泄漏電流引起的漂移。只要接地之間存在隔離，ADC就只能看到AIN（+）和AIN（-）之間的差分電壓，因此傳感器（或ADC）被稱為“浮動(dòng)”。（注意：為確保電流隔離，必須考慮傳感器接地和系統(tǒng)接地之間的所有泄漏路徑。電池供電系統(tǒng)固有地提供隔離，前提是其機(jī)箱與其內(nèi)部ADC系統(tǒng)接地隔離）。

圖5.高共模電壓，帶獨(dú)立系統(tǒng)電源。

偽差分輸入

偽差分輸入類似于全差分輸入，因?yàn)樗鼈儗⑿盘柦拥嘏cADC接地分開，允許消除直流共模電壓（與單端輸入不同）。然而，與全差分輸入不同，它們對動(dòng)態(tài)共模噪聲的影響很小。

在圖6中，采樣僅發(fā)生在輸入AIN（+）信號上。不對共模信號 AIN（-） 進(jìn)行采樣。在“TRACK”模式下，采樣電容通過串聯(lián)電阻R充電上.在“保持”模式下，采樣電容連接到AIN（-），反相輸入信號提供給ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于采樣僅發(fā)生在 AIN（+） 輸入上，因此在轉(zhuǎn)換期間 AIN（-） 必須保持在 ±0.1LSB 以內(nèi)以獲得最佳性能。

圖6.偽差分 T/H 階段。

實(shí)現(xiàn)偽差分輸入的另一種方法按順序?qū)IN（+）和AIN（-）進(jìn)行采樣，并提供兩個(gè)電壓的差值作為轉(zhuǎn)換結(jié)果。

對于動(dòng)態(tài)信號，AIN（+） 和 AIN（-） 的相位在采樣期間不匹配，從而導(dǎo)致失真。選擇具有全差分輸入的ADC，用于動(dòng)態(tài)時(shí)變信號。

偽差分輸入的典型應(yīng)用是測量偏置到任意直流電平的傳感器。有些器件（如MAX146）具有COM引腳，允許單端輸入以共模電壓為基準(zhǔn)，使其成為偽差分。所有輸入通道均以COM電壓為參考。

圖7顯示了在惠斯通電橋應(yīng)用中連接的熱敏電阻。在此示例中，AIN（+） 和 AIN（-） 都不為零。ADC 的輸出代碼是差分電壓 AIN（+） - AIN（-） 的函數(shù)。偽差分輸入抵消了直流共模電壓。為確保AIN（-）穩(wěn)定在±0.1LSB以內(nèi)，請使用一個(gè)0.1μF電容將AIN（-）旁路至模擬地。

圖7.惠斯通電橋應(yīng)用。

單端輸入

單端輸入通常足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。在單端應(yīng)用中，所有信號都以ADC上的公共接地為基準(zhǔn)。每個(gè)通道使用單個(gè)輸入引腳。模擬接地引腳在多通道系統(tǒng)的所有輸入之間共享。信號路徑中的直流偏移和/或噪聲會(huì)減小輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍。如果信號源和ADC彼此靠近（即在同一電路板上，以便信號走線盡可能短），則單端輸入是理想的選擇。單端輸入更容易受到耦合噪聲和直流失調(diào)的影響。然而，信號調(diào)理電路可以減少這些影響。

圖8顯示了單端ADC的采樣保持（T/H）輸入的簡化示例。采樣電容在“TRACK”模式下通過串聯(lián)電阻切換到輸入引腳。當(dāng)T/H進(jìn)入“保持”模式（在實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中）時(shí)，開關(guān)斷開，ADC將采樣電容兩端的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。

圖8.單端 T/H 載物臺(tái)。

共模電壓和共模抑制比

共模電壓是指公共電壓（即兩個(gè)差分輸入端的幅度和相位相同（圖 9）。共模抑制比（CMRR）通常指定用于全差分輸入，描述了ADC抑制共模（通常為DC）電壓的能力。ADC輸入端出現(xiàn)的直流共模電壓與直流輸入失調(diào)具有相同的效果。通常，傳感器信號和地線在物理上非常接近，并且會(huì)耦合到共模噪聲中。共模噪聲的最大來源通常是來自電源線的50/60Hz噪聲。電源紋波、EMF、RF或高頻開關(guān)噪聲也可能是共模噪聲的來源。

圖9.共模電壓。

共模抑制比（CMRR）通常定義為差分電壓增益與共模電壓增益之比：

其中：

ADIFF = 差分電壓增益

ACM = 共模電壓增益

對于ADC，差分電壓增益（A差異） 定義為 Δ Output_Code/Δ Differential_Voltage共模電壓增益定義為 Δ Output_Code/Δ Common_Mode_Voltage。對于全差分輸入，輸出代碼相對于共模電壓的變化很小;因此，CMRR會(huì)很大，并且通常以對數(shù)刻度表示。

需要注意的是，CMRR依賴于頻率相關(guān)參數(shù)。隨著共模電壓頻率的增加，AIN（+）和AIN（-）之間實(shí)現(xiàn)最佳共模抑制的相位匹配變得更加難以維持。因此，共模抑制在高頻下效果較差。

總結(jié)

將傳感器與ADC接口需要將傳感器/信號調(diào)理輸出與ADC輸入相匹配。電壓輸出傳感器提供單端或差分輸出。對于單端信號，所有輸入均以系統(tǒng)地為基準(zhǔn)。差分信號提供正信號和負(fù)信號，正輸出 （AIN+） 以負(fù)輸出 （AIN-） 為參考。

三種常見的ADC輸入結(jié)構(gòu)適用于單端或差分輸出傳感器：單端、偽差分或全差分。最簡單的方法是在測量單端信號時(shí)使用單端ADC。如果使用差分ADC測量單端信號，只需將ADC AIN（-）引腳連接到模擬地即可。這允許使用多通道差分輸入ADC測量單端和差分信號。

差分輸入可以通過測量傳感器正負(fù)端之間的電壓差來提供比單端輸入的性能改進(jìn)。這提供了共模抑制。選擇用于直流共模電壓抑制的偽差分ADC。對于需要激勵(lì)的傳感器，使用偽差分ADC可以將偏置電壓歸零，并允許傳感器接地與模擬接地不同。偽差分輸入不提供交流共模抑制。對于動(dòng)態(tài)共模抑制，請選擇全差分ADC。全差分輸入通過抑制直流和動(dòng)態(tài)共模電壓提供最佳性能。最終選擇使用哪種輸入結(jié)構(gòu)將取決于傳感器、信號調(diào)理電路、應(yīng)用和精度要求。

審核編輯：郭婷