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智能ADC选择可以简化和改进设计
智能ADC选择可以简化和改进设计
今天有很多独立和集成的模数转换器可用。哪种ADC最适合您的应用？采样率或架构类型有多重要？如何选择具有成本效益和时间效率的ADC？
转换器统治着嵌入式系统的世界，因为它们与现实世界的信号进行通信，从将数据（温度、压力等）转换为模拟电压/电流输出的传感器开始。模数转换器(ADC)将模拟输出转换为数字形式，供数字系统读取和处理。
图 1：ADC分辨率与量化参数
考虑到品种和价格范围，为您的应用找到最佳ADC可能是一项艰巨的任务。虽然第一步是寻找速度、分辨率和准确度，但在选择ADC之前还有一些参数需要检查。
要找什么
模数转换涉及两个步骤——采样和量化。在ADC内部，开关电容器会定期（称为采样频率）对输入信号进行快照。这些快照值被四舍五入到最接近的数字表示值。
分辨率是这里要考虑的第一个因素。它是指ADC每次转换可以生成的输出位数，并确定 ADC可以表示的最小输入信号。
然后是准确性——输入与所需输出的紧密匹配。第三是采样率或速度，它取决于输入信号的变化速度或输入信号带宽。
图 2：SAR ADC的工作
只有当采样率等于或大于原始信号中最高频率的两倍时，才能进行完美的重建。这个最低要求的采样率被称为奈奎斯特率。虽然这个小细节听起来无害，但它可能会在理论采样和模数转换之间产生重大挑战。这可以通过对输入信号进行频带限制以满足奈奎斯特速率来避免。
在量化中，重要的是具有非常低的量化误差。即使是理想的ADC也会有一些最小的噪声。这可以通过增加ADC的级别数或分辨率来实现，例如，8位、10位、12位或24位。
ADC的目标始终是检测极小范围的信号。因此，例如，可以仅解析受量化误差限制的信号。在较低的数字中，检测该信号可能非常困难，因为它都将由相同的数字代码表示。但是当您增加级别的数量时，您可以检测到更小的信号。
最小可分辨信号与最大可分辨信号之比由最大可实现动态范围定义。通过更高的分辨率，您可以获得更好的动态范围和检测小信号的能力。
例如，在2.5V满量程ADC中，即使是95微伏的信号也可以用18位ADC检测到，而12位 ADC只能检测到大约610微伏的信号。对于某些模拟输入，必须定义极性——单端、单极或差分。如果您正在寻找高精度系统并希望确保更少的组件，则应考虑这一点。
图 3：MM 模块数据采集系统
选择正确的架构
每个ADC架构都有自己的优缺点。了解这些将帮助您根据您的要求选择正确的架构类型。一些著名的架构是闪存、逐次逼近 (SAR)、delta-sigma 和流水线。
SAR ADC是主要使用的架构，专为仪器仪表、工业控制和数据类型的应用而设计。其关键特性包括控制转换过程、启动脉冲、复位逻辑和比较器效率的能力，以及与低功耗、小芯片面积和成本相比的其他显着优势。因此，这种架构在8位、10位和12位ADC中得到了很好的应用。
图 4：离散时间信号delta ADC与连续时间sigma delta ADC
但另一方面是，分辨率和比较的数量将显着增加转换优化时间。因此，当分辨率参数不是很高时，这种架构是可行的。
另一种架构是sigma delta ADC，用于需要更高分辨率的高精度应用。过采样和噪声整形的概念，其中调制器频率很高，噪声内联传播到大带宽。此外，噪声整形用于将噪声移出感兴趣的频带，然后可以通过低通数字滤波将其去除。当需要高分辨率并在温度和压力等缓慢移动的输入信号中找到应用时，此类ADC非常受欢迎。
保持技术领先
这个领域正在发生许多有趣的创新，这反过来也可以为您的应用程序带来很多好处。整合和简化似乎是当今最有效的口头禅。
设计人员正试图在ADC芯片本身上集成放大器和滤波器等单链组件。所有分立的实现都已转移到单个IC上，称为微模块。这有助于显着减少电路板空间。
连续时间Σ-Δ ADC是另一个值得关注的新发展，因为这种架构方法提供了固有抗混叠和电阻输入的主要优势。
在传统信号链中，需要高带宽驱动器来驱动开关电容输入和低通滤波器，以确保满足奈奎斯特并且没有混叠。此外，还需要一个参考缓冲器来驱动开关电容参考输入。这增加了组件并增加了材料清单。
图 5：简化的ADC设计
连续时间 sigma delta ADC具有电阻输入，采样部分在更晚的阶段引入，以保持整个环路连续。这消除了对高带宽驱动程序的要求，该驱动程序已经用于解决示例问题。这种连续循环的另一个好处是自动引入的任何别名都会被拒绝。因此，从信号链中完全消除了对高带宽驱动器和低通滤波器的要求，从而减少了组件数量，简化了设计，并使物料清单管理变得简单。
建议设计人员使用制造商的选择指南以及一些架构类型的基础知识。设计人员可以使用工具、设备和设计辅助工具来支持选择过程。不要忽视输入、输出信号并查阅数据表或应用说明（如果有）。随着ADC技术的改进，它将引领高效电子设备的发展。