匹配正确的ADC到应用程序

这是一个由数字电脑控制的模拟世界。因此,物联网(IoT)设备的设计人员需要将模拟值有效地转换为采样数字表示。虽然简单的答案看起来可能只是将模数转换器(ADC)放在前面,但不是所有的ADC都相同。因此,设计人员需要了解各种拓扑结构以及它们如何映射到应用程序。
例如,ADC的设计旨在优化采样率,功耗和准确度等特性。本文将讨论一些常见ADC体系结构背景下的设计要求。然后它将介绍使用这些体系结构的应用程序并展示它们如何实现。

ADC的作用

ADC是一种常用的电子集成电路或模块化设备,可将模拟信号(通常为电压)转换为一系列采样的离散数字表示或数字。ADC执行三种不同的操作:采样,量化和编码。它们构成了许多常用数字仪器的核心,如电压表,示波器和频谱分析仪。它们也被整合到数字电路的前端,用于处理来自麦克风,加速度计,光电传感器和其他需要将其输出转换为数字域的传感器的设备的模拟信号,以便微处理器可以处理数据。
有许多ADC架构或拓扑结构可用于采样和数字化模拟信号。ADC的每种形式都有其特点,优点和缺点。针对给定应用选择特定类型的ADC通常由速度,分辨率,精度,功耗和物理尺寸的测量要求来定义。

ADC的关键特性

ADC必须执行的第一项操作是对模拟信号进行采样。采样由采样保持或采样保持电路完成。采样或Nyquist定理要求采样率必须大于信号带宽的两倍,以便能够从数字化采样中重建模拟信号。因此,ADC的第一个重要特性是采样率,它决定了可以数字化的最大信号频率分量。
ADC必须量化每个采样,将采样电压分解为有限数量的离散幅度电平。这个特征通常被描述为分辨率的位数。例如,如果信号分解为8位,则意味着有2 8或256个离散电平。一个16位ADC将把电压范围分成65,536个量化电平。
分辨率和最大采样率都由ADC硬件决定。通常,ADC分辨率越高,最大采样率就越受限制。
ADC的精度取决于分辨率和采样率。分辨率会影响幅度精度和精度。影响幅度精度的其他因素是量化过程的线性度和垂直噪声的影响。采样率决定了时序精度和精度。
物理尺寸和功耗是取决于电路拓扑的其他属性。它们是具有有限尺寸或可用功率的应用的主要关注点,例如物联网设备或电池供电的便携式仪器。物理尺寸和功耗非常依赖于ADC拓扑。

闪光,直接还是平行?

最简单的数字化仪就是Flash ADC。这也可以被称为直接或并行ADC(图1)。
闪存ADC的图表使用多个比较器
图1:闪存ADC使用多个阈值电压均匀递增的比较器将模拟电压转换为数字数字。这个例子显示了一个8位分辨率的3位ADC。(图片来源:Digi-Key Electronics)
闪存ADC的输入通常来自采样保持或采样保持电路,其中模拟输入采样并在转换期间保持恒定。采样信号被施加到模拟比较器阵列,阈值电压在ADC输入电压范围内均匀分布一个等于单个最低有效位(LSB)的值。如果输入电压超过分压器为该比较器设置的阈值,则每个比较器的输出都会改变状态。图中的示例显示了一个3位ADC,需要7个比较器产生8种可能的状态。
通常,N位闪存转换器需要(2 N -1)个比较器。比较器产生所谓的“温度计代码”。输入电压越高,比较器从下到上达到“1”状态的数量就越多。此代码应用于将此代码转换为二进制代码的优先级编码器。
闪光转换器的主要优点是速度。转换时间仅包括比较器和解码器的延迟时间。最大采样速率达到5Gigasamples /秒(GS / s)的闪存转换器可以在市场上买到。闪存转换器分辨率的限制因素是所需的比较器数量。一个8位Flash ADC需要255个比较器。
对于增加分辨率的每一位,这个数字增加两倍。这意味着ADC的物理尺寸随着分辨率呈指数增长。这导致了另一个限制,即闪光转换器所需的功率。这限制了它在线路供电应用中的使用。闪存分辨率的实际限制约为8位。

二进制编码

ADC的二进制输出可以用几种方式进行编码。如果被转换的信号是单极的,那么它通常被编码为单极直接二进制码。该代码将全零(0000 ...)和最大输入值(全1(1111 ...))表示为零值。
如果信号是双极性的,那么它通常表示为偏移二进制或二进制补码二进制,详细使用4位示例(表1)。
输入值 双极性偏移二进制 二的补码二进制
- 全尺寸 0000 1000
双极性零 - 1 LSB 0111 1111
双极性零 1000 0000
双极性零+ 1 LSB 1001 0001
+全尺寸 1111 0111
表1:双极性数字信号的常见二进制编码。二进制补码二进制码被微处理器或数学处理器广泛使用。(图片来源:Digi-Key Electronics)
二进制补码二进制编码是大多数微处理器或基于数学处理器的系统使用的编码类型,因为它有利于算术运算。

流水线,子范围和两步ADC

闪存转换器中的比较器数量可以通过将转换分成两个或更多步骤并将每个阶段的较少数量的比特转换来减少。如果Flash ADC分为两部分,则称其为两步或分段ADC。如果它分成两个以上的部分,则称为流水线ADC。两步ADC仍然可以以每秒数百兆样本(MS / s)进行采样(图2)。
4位,两步或子范围ADC的功能框图
图2:4位,两步或子范围ADC的功能框图显示,它将4位转换器分成两个2位转换器,以减少比较器的数量。(图片来源:Digi-Key Electronics)。
这两步转换器将需要15个比较器的4位转换器分成两个2位部分。每个部分使用三个比较器,总共六个比较器。转换器首先转换两个最高有效位(MSB)。第一部分的数字输出包括一个数模转换器(DAC),用于将信号转换为模拟信号并从输入信号中减去该信号。
所得差值被放大并用于转换两个LSB。组合结果在输出锁存器中捕获。转换过程重复两次,因此最大采样率将低于闪光转换器。的模拟器件 AD9203ARUZRL7是解决在高速从模拟转换为数字的问题一个10位,40 MS / s的流水线ADC的一个实例。

逐次逼近寄存器(SAR)ADC

当应用需要更高的分辨率,而不一定是闪存或流水线ADC的速度时,那么逐次逼近寄存器(SAR)转换器是一个不错的选择(图3)。SAR ADC工作在12至16位,采样率高达1至2 MS / s。
SAR ADC的图表提供了很好的解决方案
图3:SAR ADC提供良好的分辨率和低至中等的功耗要求。(图片来源:Digi-Key)
与Flash ADC类似,SAR ADC前面有采样保持或采样保持电路,以在转换过程中保持采样值。采样保持信号应用于比较器。逐次逼近寄存器从中间范围开始,并将该值转换为DAC的模拟电压。
这个“猜测”电压与比较器的信号输入进行比较。如果比较器输出保持低电平,寄存器值将增加四分之一的范围。基本上,寄存器值以两个步骤的系数降低或升高,直到比较器指示DAC转换的寄存器内容等于输入信号电压。当发生这种情况时,转换器发出“转换完成”信号并将数字值锁存到输出锁存器中。
转换时间与ADC分辨率成正比,ADC分辨率由寄存器的长度决定。SAR ADC提供良好的分辨率,并具有低至中等功率要求。一种低成本的一例,低功耗SAR是MAX11665AUT-T从美信集成。它是一款12位,每秒500千次(kS / s)SAR ADC,与传感器输出数字化非常匹配。

集成双斜率ADC

集成ADC可提供高分辨率,同时最大限度地降低噪声影响。双斜率ADC是最常见的积分ADC(图4)。
双斜率积分ADC的框图
图4:双斜率积分ADC的框图,包括一个图表,显示如何使用充电/放电时序来确定未知输入电压。(图片来源:Digi-Key Electronics)
最初,输入连接到积分器。电容器C由输入信号充电一段固定的时间。充电时间结束后,积分器连接到参考电压。如比较器所确定的那样,将电容放电至零。计数器测量放电电容器所需的时间。时间与充电周期期间施加在电容上的输入电压成正比。基于已知的充电时间和测量的放电时间的简单关系允许计算输入电压。
由于信号输入应用于积分器,任何噪声信号的影响都会通过积分器的平均效应最小化。双斜率转换器非常适合需要高精度的高分辨率应用。分辨率为12到16位是常见的,最大采样率可达100 KS / s。
双斜率ADC最着名的应用是数字电压表(DVM或DMM)。具有三态输出的Maxim Integrated ICL7109CPL + 12位ADC是一款双斜率转换器,用于以高达每秒30次的速率测量压力,速度或流量等模拟信号。

西格玛德尔塔ADC:低频率下的高分辨率

西格玛德尔塔ADC为低频信号提供最高分辨率(16到24位)。像双斜率ADC一样,它是另一种集成数字化仪(图5)。输入信号通过夏季应用到积分器。积分器的输出应用于锁存比较器,与零伏(地)信号进行比较。如果积分输出不为零,则反馈比较器输出以使积分器输出接近零。这个过程在转换器时钟速率下重复,直到积分器输出达到零。比较器输出形成一个串行数据流,它是转换器的数字输出。
Σ-Δ型ADC采样速率远高于设计采样率所需的速率。
在图中注意,转换器时钟比输出采样时钟快K倍。来自“过采样”的额外采样用于提供转换器输出的数字滤波。抽取器将输出采样率恢复到指定的采样时钟频率。
ADI公司的AD7734BRUZ型 ADC是一款24位,4通道Σ-Δ型数字化仪,用于过程和工业控制应用。
Σ-Δ型ADC的示意图
图5:Σ-ΔADC广泛用于音频,过程和工业控制应用的低频信号的高分辨率数字化。(图片来源:Digi-Key)
表2中提供了所讨论的五种ADC类型的分辨率和最大采样率的总结。
ADC拓扑 分辨率范围(位) 最大采样率 物理尺寸
闪光灯,直接或平行 ≤8 5 GS / s 分辨率呈指数增长
两步,小范围或流水线 8-15 100 MS / s 分辨率线性增加
逐次逼近 8/18 2 MS / s 分辨率线性增加
双坡度 12-16 100 KS / s 不会因分辨率而改变
Sigma delta 16-24 15 KS / s 不会因分辨率而改变
表2:本文中讨论的五种ADC类型的ADC工作特性。(图片来源:Digi-Key Electronics)

拓扑选择示例

考虑使用40 kHz传感器的便携式超声波测距仪数字化信号的应用。目标反射是发射脉冲幅度的-40 dB(1/100)。
信号必须至少以40 kHz信号频率的两倍进行采样。最好在40 kHz以上四次或更多次采样,因此所需的采样范围为160 kHz或更高。将分辨率设置为至少10倍于预期的40 dBm是一个好主意,因此这将是60 dB。一般的经验法则是每6 dB需要1位分辨率,因此需要10位或更多ADC。此外,这是一款考虑功耗的便携式仪器。咨询表2,逐次逼近型转换器将是最佳选择。Maxim Integrated公司的MAX11665AUT-T作为SAR ADC的例子,将很适合这种应用。

结论

由于两者不能同时实现,所以ADC的选择主要是最大采样率和分辨率之间的折衷。其他考虑事项,如物理尺寸和功耗,根据应用程序发挥作用,并应在选择过程中给予应有的重视。

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