ADC前端驅(qū)動(dòng)電路該怎么加？聽(tīng)楊老怎么說(shuō)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠?qū)?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，因此它是電學(xué)測(cè)量、控制領(lǐng)域中一個(gè)極為重要的部件。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)模擬電壓信號(hào)，在進(jìn)入ADC的輸入端之前，都需要增加一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路（Driver）；但是也有一些ADC具有“極貼心設(shè)計(jì)”的輸入端，這就無(wú)需在前級(jí)增加驅(qū)動(dòng)電路了。那么到底什么時(shí)候該加，什么時(shí)候不該加呢？且聽(tīng)楊老師娓娓道來(lái)~

向下箭頭分割線(xiàn)GIF動(dòng)態(tài)加或不加，都得從原理說(shuō)起，畢竟原理才是學(xué)習(xí)模電的重點(diǎn)。首先我們要知道，為什么要給ADC前端增加驅(qū)動(dòng)電路？楊老在這兒給出了5條理由，包括：

* 輸入范圍調(diào)整* 輸入類(lèi)型轉(zhuǎn)換* 低阻輸出，以減小測(cè)量誤差* 輸入類(lèi)型轉(zhuǎn)換* 抗混疊濾波

其中，只要有一條是必要的，就必須使用ADC驅(qū)動(dòng)電路。下面進(jìn)行一一分析。

輸入范圍調(diào)整

任何一個(gè)ADC，都有輸入電壓范圍。當(dāng)實(shí)際輸入電壓超出此范圍，將引起ADC轉(zhuǎn)換失效。而被轉(zhuǎn)換的信號(hào)，并不能保證在此范圍內(nèi)，這就需要ADC驅(qū)動(dòng)電路將其調(diào)整到合適的范圍之內(nèi)。

輸入范圍調(diào)整，包括對(duì)信號(hào)的增益改變，以及直流電平移位兩個(gè)功能。

輸入類(lèi)型轉(zhuǎn)換

原始輸入信號(hào)的輸出類(lèi)型有兩種：?jiǎn)味诵?、差分型。而ADC的輸入類(lèi)型有三種：?jiǎn)味诵?、全差分型和偽差分型。如果兩者不一致，就?huì)影響ADC性能發(fā)揮。這就需要類(lèi)型轉(zhuǎn)換電路，將信號(hào)類(lèi)型演變成與ADC一致的類(lèi)型。

一個(gè)電壓信號(hào)，如果用兩根線(xiàn)傳輸，且兩線(xiàn)電位做相反變化，則此信號(hào)為差分信號(hào)。一個(gè)電壓信號(hào)，如果用一根線(xiàn)傳輸，且默認(rèn)地線(xiàn)為參考點(diǎn)，則此信號(hào)為單端信號(hào)。ADC的輸入端類(lèi)型則稍復(fù)雜一些：

單端型：它只有一個(gè)輸入端AIN，實(shí)際輸入信號(hào)為此輸入端電壓uIN。

全差分型：它有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的輸入端AIN+、AIN-，對(duì)應(yīng)的電壓為uIN+、uIN-，則實(shí)際輸入電壓為，uIN+減去uIN-。

偽差分型：它有兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)的輸入端AIN+、AIN-，對(duì)應(yīng)的電壓為uIN+、uIN-，則實(shí)際輸入電壓為，uIN+減去uIN-。關(guān)鍵是，AIN+端，允許輸入信號(hào)滿(mǎn)幅度變化，而AIN-端，像受欺負(fù)一樣，只被允許小幅度變化。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)和ADC之間的輸入類(lèi)型轉(zhuǎn)換

圖1是常見(jiàn)的兩種輸入類(lèi)型轉(zhuǎn)換。左邊將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，適應(yīng)于單端型ADC，右邊電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，適應(yīng)于后面的全差分ADC。這里有兩點(diǎn)需要注意：

左邊電路可以用另外一種方法實(shí)現(xiàn)，即將差分信號(hào)的一個(gè)端子直接接入單端ADC。

兩個(gè)電路中，可以發(fā)現(xiàn)，輸入都是騎在0V上的信號(hào)，而輸出都變成了大于0V的信號(hào)（騎在某個(gè)正電壓上），以適應(yīng)于多數(shù)只能接受正電壓輸入的ADC。

低阻輸出，以減小測(cè)量誤差

有些原始信號(hào)，具有一定阻值的輸出電阻。將這樣的信號(hào)直接接入ADC，會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。誤差的根源：多數(shù)ADC內(nèi)部都有采樣電容，以實(shí)現(xiàn)采樣保持功能。這種ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般如圖2和3所示。它由兩組開(kāi)關(guān)，一個(gè)采樣電容CSAM，以及后續(xù)沒(méi)有畫(huà)出的轉(zhuǎn)換電路組成。

左圖2 ADC采樣階段 右圖3 ADC轉(zhuǎn)換階段

抗混疊濾波

當(dāng)輸入被測(cè)信號(hào)頻率為fi，那么按照奈奎斯特定律，要想完整采集信號(hào)，采樣率fs必須大于2fi。當(dāng)采樣率小于2fi時(shí)，一定會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，即采集的波形中出現(xiàn)很低的混疊頻率。圖4演示了混疊頻率的出現(xiàn)原因。圖中輸入信號(hào)為黑色的高頻信號(hào)，當(dāng)采樣率小于2fi時(shí)，我們獲得的采樣點(diǎn)形成了紅色的波形，其頻率不是信號(hào)頻率，而是混疊頻率，很低?；殳B現(xiàn)象欺騙了我們，因此我們不希望出現(xiàn)這種現(xiàn)象。一旦在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)混疊頻率，后期即便增加軟件濾波，也是難以剔除的。

唯一的方法就是讓大于fs/2的頻率信號(hào)，不要出現(xiàn)在A(yíng)DC的入端，或者這種頻率分量在A(yíng)DC入端只有很小的幅度。因此，增加驅(qū)動(dòng)電路，以濾除或者減小高于fs/2的頻率信號(hào)就成為必須。常見(jiàn)的方法是，給ADC入端之前，增加一級(jí)截止頻率為fH的無(wú)源低通電路，以實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波。

電源級(jí)保護(hù)

一般來(lái)說(shuō)，ADC的價(jià)格（幾美元到幾十美元甚至更高）會(huì)高于前端放大器價(jià)格。用廉價(jià)的東西保護(hù)昂貴的東西，是一個(gè)常用的方法。而ADC的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，就可以實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)。

將ADC前端的驅(qū)動(dòng)電路，用一個(gè)安全的供電電壓，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的電源級(jí)保護(hù)。所謂的電源級(jí)保護(hù)，是指驅(qū)動(dòng)電路的輸出，不可能超過(guò)電源電壓。這樣，只要選擇電源電壓在A(yíng)DC輸入端認(rèn)可的安全范圍內(nèi)，就可以保證ADC的輸入端不會(huì)超限。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的電源級(jí)保護(hù)

如圖5所示。多數(shù)ADC輸入端承受最高電壓，就是其電源電壓。因此，將ADC的供電電壓與前端驅(qū)動(dòng)電路的供電電壓，選擇成一致的，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC入端的電源級(jí)保護(hù)了。