高分辨率信號(hào)采集如何選擇精密ADC

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）此前我們已經(jīng)介紹過(guò)高速ADC的應(yīng)用與市場(chǎng)發(fā)展，與高速ADC相反，精密ADC并不追求采樣速率的拔高，而是將分辨率做到極致。ADC的分辨率指的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能表示的最大數(shù)是多少，即ADC的位數(shù)。

如果ADC分辨率越高，那么器件對(duì)模擬量的測(cè)量范圍就可以分得越細(xì)，分辨量化的最小信號(hào)的能力越高。分辨率越高的ADC可以將滿(mǎn)量程里的電平分出更多份數(shù)，得到的結(jié)果就越精確，得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換后才能更接近原來(lái)輸入的模擬信號(hào)。

精密ADC架構(gòu)選擇

高分辨率ADC在架構(gòu)的選擇上，過(guò)采樣Delta Sigma架構(gòu)一定是大家最熟悉的，它是近些年使用最為普遍的高分辨率ADC架構(gòu)，能產(chǎn)生16至24位以上的分辨率，在分辨率達(dá)到20位以上的ADC里是必選的架構(gòu)。

從TI和ADI的在售的20位以上的精密ADC系列上來(lái)看，所有精密ADC均采用高分辨率的Delta Sigma調(diào)制器加上可編程濾波器實(shí)現(xiàn)，該濾波器是可以針對(duì)應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化的。除了高分辨率性能，Delta Sigma架構(gòu)還具有較高的穩(wěn)定性。雖然轉(zhuǎn)換速率并不是精密ADC的強(qiáng)項(xiàng)，但是在轉(zhuǎn)換速率上Delta Sigma ADC也能覆蓋很廣的范圍，從100SPS到10MSPS都可以實(shí)現(xiàn)。

總的來(lái)說(shuō)Delta Sigma ADC功耗水平處于各架構(gòu)中的中等水平，但集成度往往非常高，通常能夠取代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多個(gè)組件。不過(guò)與其他架構(gòu)相比，Delta Sigma ADC架構(gòu)有一個(gè)劣勢(shì)在于會(huì)出現(xiàn)周期延遲。

SAR ADC是精密ADC中另一種架構(gòu)選擇，在分辨率上的上限沒(méi)有Delta Sigma架構(gòu)高，但是性?xún)r(jià)比很高，它既可以實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的轉(zhuǎn)換速率，也可以實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的分辨率。也就是說(shuō)SAR ADC性能變化范圍很大，分辨率可以覆蓋到20bits以下的各種分辨率，轉(zhuǎn)換速率也可以從1KSPS覆蓋到5MSPS。足夠靈活的性能使其在通用混合信號(hào)電路里備受歡迎。

Delta Sigma ADC對(duì)比SAR ADC

SAR和Delta Sigma拓?fù)浼軜?gòu)之間的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別在于輸入信號(hào)的采樣如何與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果相關(guān)。

SAR ADC是在特定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行采樣或采集輸入“snapshots”并捕獲信號(hào)電平，然后再執(zhí)行轉(zhuǎn)換。SAR ADC在單次轉(zhuǎn)換時(shí)僅進(jìn)行一次信號(hào)采樣，采樣受到開(kāi)始命令控制，所以可以很精確地控制采樣發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，因此SAR ADC可以提供非常低的延遲結(jié)構(gòu)，并能將其用于同時(shí)包含連續(xù)和不連續(xù)信號(hào)的應(yīng)用，尤其是需要采樣與外部事件同步的應(yīng)用或者需要快速瞬態(tài)捕捉的應(yīng)用。

Delta Sigma ADC則是在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)的采集信號(hào)，然后輸出特定時(shí)間段內(nèi)與樣本平均數(shù)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)換器會(huì)對(duì)多個(gè)樣本做類(lèi)似取平均值的操作（該操作在濾波器中實(shí)現(xiàn)），來(lái)得出轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)器件需要高分辨率轉(zhuǎn)換連續(xù)信號(hào)的時(shí)候，Delta Sigma ADC是最佳的選擇。

精密ADC應(yīng)用

音頻信號(hào)是對(duì)ADC精度要求極高的一類(lèi)應(yīng)用，這也涉及ADC的諧波失真和信噪比，好的音頻信號(hào)采集效果是可以“聽(tīng)出來(lái)的”。

再者是感知方面的應(yīng)用，傳感器各類(lèi)設(shè)備都對(duì)采樣ADC的分辨率和速度有一定要求，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，對(duì)這兩要求的限制不高，很多種類(lèi)的ADC都可以采用，SAR ADC在性?xún)r(jià)比上的優(yōu)勢(shì)在這類(lèi)領(lǐng)域有很多應(yīng)用。

感知上的需求再往高精度傳感發(fā)展，高精度的測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域那就對(duì)ADC分辨率的要求很?chē)?yán)苛了，比如數(shù)字成像和醫(yī)療成像等應(yīng)用，對(duì)分辨率位數(shù)的要求就會(huì)再拔高一層。

小結(jié)

隨著現(xiàn)在各種新興傳感應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，新的采樣需求也在不斷被挖掘，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，采用合適精密ADC結(jié)構(gòu)，才能取得最具性?xún)r(jià)比的采樣效果。