智能ADC選擇可以簡化和改進設計

2022-05-17

智能ADC選擇可以簡化和改進設計

今天有很多獨立和集成的模數轉換器可用。哪種ADC最適合您的應用？采樣率或架構類型有多重要？如何選擇具有成本效益和時間效率的ADC？

轉換器統治著嵌入式系統的世界，因為它們與現實世界的信號進行通信，從將數據（溫度、壓力等）轉換為模擬電壓/電流輸出的傳感器開始。模數轉換器(ADC)將模擬輸出轉換為數字形式，供數字系統讀取和處理。

圖 1：ADC分辨率與量化參數

考慮到品種和價格范圍，為您的應用找到最佳ADC可能是一項艱巨的任務。雖然第一步是尋找速度、分辨率和準確度，但在選擇ADC之前還有一些參數需要檢查。

要找什么

模數轉換涉及兩個步驟——采樣和量化。在ADC內部，開關電容器會定期（稱為采樣頻率）對輸入信號進行快照。這些快照值被四舍五入到最接近的數字表示值。

分辨率是這里要考慮的第一個因素。它是指ADC每次轉換可以生成的輸出位數，并確定 ADC可以表示的最小輸入信號。

然后是準確性——輸入與所需輸出的緊密匹配。第三是采樣率或速度，它取決于輸入信號的變化速度或輸入信號帶寬。

圖 2：SAR ADC的工作

只有當采樣率等于或大于原始信號中最高頻率的兩倍時，才能進行完美的重建。這個最低要求的采樣率被稱為奈奎斯特率。雖然這個小細節聽起來無害，但它可能會在理論采樣和模數轉換之間產生重大挑戰。這可以通過對輸入信號進行頻帶限制以滿足奈奎斯特速率來避免。

在量化中，重要的是具有非常低的量化誤差。即使是理想的ADC也會有一些最小的噪聲。這可以通過增加ADC的級別數或分辨率來實現，例如，8位、10位、12位或24位。

ADC的目標始終是檢測極小范圍的信號。因此，例如，可以僅解析受量化誤差限制的信號。在較低的數字中，檢測該信號可能非常困難，因為它都將由相同的數字代碼表示。但是當您增加級別的數量時，您可以檢測到更小的信號。

最小可分辨信號與最大可分辨信號之比由最大可實現動態范圍定義。通過更高的分辨率，您可以獲得更好的動態范圍和檢測小信號的能力。

例如，在2.5V滿量程ADC中，即使是95微伏的信號也可以用18位ADC檢測到，而12位 ADC只能檢測到大約610微伏的信號。對于某些模擬輸入，必須定義極性——單端、單極或差分。如果您正在尋找高精度系統并希望確保更少的組件，則應考慮這一點。

圖 3：MM 模塊數據采集系統

選擇正確的架構

每個ADC架構都有自己的優缺點。了解這些將幫助您根據您的要求選擇正確的架構類型。一些著名的架構是閃存、逐次逼近 (SAR)、delta-sigma 和流水線。

SAR ADC是主要使用的架構，專為儀器儀表、工業控制和數據類型的應用而設計。其關鍵特性包括控制轉換過程、啟動脈沖、復位邏輯和比較器效率的能力，以及與低功耗、小芯片面積和成本相比的其他顯著優勢。因此，這種架構在8位、10位和12位ADC中得到了很好的應用。

圖 4：離散時間信號delta ADC與連續時間sigma delta ADC

但另一方面是，分辨率和比較的數量將顯著增加轉換優化時間。因此，當分辨率參數不是很高時，這種架構是可行的。

另一種架構是sigma delta ADC，用于需要更高分辨率的高精度應用。過采樣和噪聲整形的概念，其中調制器頻率很高，噪聲內聯傳播到大帶寬。此外，噪聲整形用于將噪聲移出感興趣的頻帶，然后可以通過低通數字濾波將其去除。當需要高分辨率并在溫度和壓力等緩慢移動的輸入信號中找到應用時，此類ADC非常受歡迎。

保持技術領先

這個領域正在發生許多有趣的創新，這反過來也可以為您的應用程序帶來很多好處。整合和簡化似乎是當今最有效的口頭禪。

設計人員正試圖在ADC芯片本身上集成放大器和濾波器等單鏈組件。所有分立的實現都已轉移到單個IC上，稱為微模塊。這有助于顯著減少電路板空間。

連續時間Σ-Δ ADC是另一個值得關注的新發展，因為這種架構方法提供了固有抗混疊和電阻輸入的主要優勢。

在傳統信號鏈中，需要高帶寬驅動器來驅動開關電容輸入和低通濾波器，以確保滿足奈奎斯特并且沒有混疊。此外，還需要一個參考緩沖器來驅動開關電容參考輸入。這增加了組件并增加了材料清單。

圖 5：簡化的ADC設計

連續時間 sigma delta ADC具有電阻輸入，采樣部分在更晚的階段引入，以保持整個環路連續。這消除了對高帶寬驅動程序的要求，該驅動程序已經用于解決示例問題。這種連續循環的另一個好處是自動引入的任何別名都會被拒絕。因此，從信號鏈中完全消除了對高帶寬驅動器和低通濾波器的要求，從而減少了組件數量，簡化了設計，并使物料清單管理變得簡單。

建議設計人員使用制造商的選擇指南以及一些架構類型的基礎知識。設計人員可以使用工具、設備和設計輔助工具來支持選擇過程。不要忽視輸入、輸出信號并查閱數據表或應用說明（如果有）。隨著ADC技術的改進，它將引領高效電子設備的發展。