∑-ΔADC(第三部分):新訣竅

　　ADC首先要考慮的基本要求是分辨率、精度和帶寬：其它需要考慮的重要事項(xiàng)包括信噪性能、失真和等待時(shí)間。一些應(yīng)用需要快速響應(yīng)來處理來自傳感器的高頻或者連續(xù)讀數(shù)。而在另一些應(yīng)用中，在ADC內(nèi)多路傳輸多重信號(hào)的能力很重要，例如，對(duì)于那些能夠同步監(jiān)控和集成來自多個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)輸入信息的PLC。

　　設(shè)備成本以及任何所需支持電路的成本對(duì)于組件的選擇同樣重要。這對(duì)于ADC來說是非常重要的，尤其是當(dāng)被應(yīng)用到高性能多路傳輸環(huán)境中時(shí)，因?yàn)楦鶕?jù)所選ADC的類型，所需的支持電路會(huì)有很大的差別。

　　傳統(tǒng)的SAR方法

　　通常情況下，之前提到的高性能應(yīng)用類型是根據(jù)逐次求近寄存器(SAR)ADC設(shè)計(jì)的，這類ADC可以及時(shí)在各個(gè)連續(xù)點(diǎn)處提供一系列“瞬像”。SARADC一般定位于面向那些需要快速響應(yīng)和等待時(shí)間相對(duì)少的應(yīng)用。但是，由于他們對(duì)噪聲很敏感，而且擁有相對(duì)低的差分非線性特性(DNL)，因此通常需要重要的支持電路，增加了總成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　較差的線性不能通過對(duì)信號(hào)的過采樣來達(dá)到平衡。為了進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)工程師必須過多地細(xì)化ADC，并使系統(tǒng)設(shè)計(jì)保有一定的余量。相似的，在固有噪聲環(huán)境中，SAR ADC的高噪聲敏感度和有限的噪聲抑制能力對(duì)工程師來說是一個(gè)額外的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其當(dāng)產(chǎn)品被用于生產(chǎn)車間或多波段ATE系統(tǒng)群中的PLC上。

　　相反，△ Σ ADC通常能夠更好地傳遞DNL和噪聲性能，并且只需要相對(duì)簡(jiǎn)化的支持電路。但是，人們并不認(rèn)為它們適合用于那些需要低等待時(shí)間和高轉(zhuǎn)換速率來實(shí)現(xiàn)寬信號(hào)帶寬的高性能應(yīng)用。

　　新型結(jié)構(gòu)

　　來自Cirrus Logic公司的高通量ADC的CS556x/7x/8x系列產(chǎn)品包括16和24位設(shè)備，圍繞一個(gè)先進(jìn)的高通量△Σ結(jié)構(gòu)建立，該△ Σ結(jié)構(gòu)是專門為了解決每次高達(dá)200Ksps的轉(zhuǎn)換速度而設(shè)計(jì)的。這提供了高響應(yīng)低等待時(shí)間性能，這些性能和SAR ADC相當(dāng)或者更好，使它們可以在那些通常需要SARADC的應(yīng)用中作為一個(gè)具有成本效益的替代品。

　　單循環(huán)等待時(shí)間

　　CS556x/7x/8x系列產(chǎn)品和一個(gè)快速FIR型濾波器相結(jié)合具有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。第一，濾波器接近取樣頻率的2倍，為用戶提供不受限制的頻率響應(yīng)。第一，濾波器被快速處理，并在取樣周期的末期發(fā)送了一個(gè)新的輸出字。這個(gè)單轉(zhuǎn)換等待時(shí)間使新設(shè)備能夠提供和△ Σ ADC(具有很高的采樣頻率和SAR轉(zhuǎn)換器的Nyquist帶寬)一樣的噪聲和DNL性能。

　　這個(gè)新設(shè)計(jì)也克服了許多傳統(tǒng)SAR設(shè)備所強(qiáng)加的“靜肅時(shí)間”，在采樣過程中，這段時(shí)間里的ADC輸出不能被存取。對(duì)這些新△ Σ的測(cè)試證明存儲(chǔ)數(shù)字輸出在轉(zhuǎn)換周期的任何時(shí)候，對(duì)設(shè)備的性能都沒有影響，包括在全速運(yùn)行時(shí)。

　　緩沖輸入的優(yōu)勢(shì)

　　SAR型轉(zhuǎn)換器解決了很多設(shè)計(jì)難題，并且除了模擬信號(hào)輸入以外，在其他領(lǐng)域亦有應(yīng)用，設(shè)計(jì)師必須注意組件選擇和電路設(shè)計(jì)，從而在多路噪聲源存在的情況下保證測(cè)量的精確度。考慮到SAR轉(zhuǎn)換器自身可能就是一個(gè)大的噪聲源(由于其設(shè)備中的高速比較儀和快速變化數(shù)字電路)，這就不是一個(gè)小成就了。

　　相比之下，△ Σ轉(zhuǎn)換器除了超高的精確度外，對(duì)噪聲敏感度也很低。新設(shè)備具有集成高阻抗輸入緩沖放大器，這使它可以在無需復(fù)雜的外部輸入緩沖電路的情況下很容易達(dá)到完全細(xì)化的性能。SAR設(shè)備通常利用一些取樣保持型電路來維持在轉(zhuǎn)換過程中被抽樣的收入信號(hào)的穩(wěn)定表現(xiàn)。因此，輸入常表現(xiàn)為對(duì)信號(hào)源的非常低的阻抗。在一些應(yīng)用中，這個(gè)高通量△ Σ設(shè)備的新產(chǎn)品系列可以(在某些情況下)被傳感器直接驅(qū)動(dòng)，無須通常在SAR中使用的緩沖放大器。

　　由于在輸入端進(jìn)行過采樣，如使用24位CS5560/1設(shè)備時(shí)以160采樣/轉(zhuǎn)換速率，8MHz速率進(jìn)行采樣，△ Σ調(diào)節(jié)線圈中的低通濾渡器和在數(shù)字濾波器中進(jìn)行的數(shù)字平均抑制或忽略導(dǎo)致SAR設(shè)備產(chǎn)生類似問題的大部分噪音。

　　在電流復(fù)合信號(hào)環(huán)境中所遭遇的另一個(gè)問題是單輸入操作。CS556x/7x/8x系列產(chǎn)品在±2.5V輸入時(shí)的操作具備真正的雙極模擬輸入能力。對(duì)于測(cè)量地面參考AC信號(hào)或者負(fù)向輸出傳感器的用戶，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì);一個(gè)電平移位放大器需要移動(dòng)一個(gè)低于地面的信號(hào)來滿足單輸入轉(zhuǎn)換器的輸入要求，引入額外的噪聲和對(duì)敏感的低水平信號(hào)的偏移誤差。

　　下一章節(jié)詳細(xì)介紹了關(guān)鍵參數(shù)的性能比較，例如失真性能和動(dòng)態(tài)非線性。

　　失真和DHL

　　圖1和2展示了一個(gè)廣泛應(yīng)用的SAR設(shè)備和高通量△ ∑ CS5571的失真性能比較。在-12dB最大標(biāo)定情況下，SAR顯示出91.6dB的信號(hào)失真(S/D)比，而CS5571的S/D比為100dB。

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　　差分非線性(DNL)主要是代碼寬度的測(cè)量結(jié)果，被標(biāo)準(zhǔn)化到最大標(biāo)定。這是來自相同或平均編碼尺寸的絕對(duì)偏差，它導(dǎo)致了一個(gè)編碼與另一個(gè)編碼在電壓步長(zhǎng)上的差異，代表了編碼型號(hào)的真實(shí)差異，該差異對(duì)遺漏碼、增益和偏移誤差都有影響。從一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的最主要的SAR設(shè)備中測(cè)得的SAR DNL圖，顯示了在代碼大小方面的差異而配套的CS5571 DNL結(jié)果在以相同轉(zhuǎn)換速度的運(yùn)行期間顯示出更低的誤差。

　　典型應(yīng)用場(chǎng)景

　　這種高分辨率和不受限信號(hào)帶寬的結(jié)合使設(shè)計(jì)師能夠完成噪聲處理和信號(hào)過濾的任務(wù)，這些任務(wù)是根據(jù)其特殊的應(yīng)用需求量身定做的。在可應(yīng)用的場(chǎng)合下(甚至包括自適應(yīng)濾波)，系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)調(diào)整其濾波器來適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。

　　最令人興奮的應(yīng)用領(lǐng)域是用于PLC和過程控制系統(tǒng)中的嵌入設(shè)計(jì)能力。工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境已朝著分散控制、應(yīng)用簡(jiǎn)潔、多功能系統(tǒng)的方向邁進(jìn)，這些系統(tǒng)適合處理各種實(shí)時(shí)傳感器輸入，并提供嵌入式智能和閉環(huán)響應(yīng)來執(zhí)行本地決策環(huán)。高通量△ ∑ ADC使設(shè)計(jì)師能夠在保證高測(cè)量精度維持一定的DNL性能水平的同時(shí)，引入高分辨率和低等待時(shí)間。實(shí)時(shí)閉環(huán)應(yīng)用需要“無遺漏碼”功能，并且必須避免在ADC轉(zhuǎn)移功能中的步進(jìn)(這可能導(dǎo)致操縱系統(tǒng)狀態(tài)的不確定)。

　　自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控并處理多路同步輸入流。這里，一致的DNL性能對(duì)于得到精確的測(cè)量結(jié)果非常重要，尤其是長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)控刪試信息并監(jiān)視很小甚至微小信號(hào)差異的時(shí)候。對(duì)于那些用于測(cè)試并測(cè)量對(duì)噪聲敏感的設(shè)備的ATE系統(tǒng)，SAR ADC固有的噪聲敏感度將與測(cè)試結(jié)果相互干擾。設(shè)計(jì)師通常用具有比設(shè)計(jì)要求更高的分辨率和速度的SAR型轉(zhuǎn)換器以及平均多重抽樣來獲得想要的系統(tǒng)測(cè)試精度。高通量△ ∑轉(zhuǎn)換器新系列產(chǎn)品可以精確傳送每一個(gè)讀數(shù)，無需過高的分辨率抽樣速率以及對(duì)非最佳結(jié)果的后過程處理。

　　在醫(yī)療儀器領(lǐng)域，諸如床邊監(jiān)控器、血液分析儀以及其它診斷系統(tǒng)設(shè)備通常采用12到16位ADC。過渡到具有更高分辨率的ADC使設(shè)計(jì)師能夠直接將傳感器信號(hào)數(shù)字化，而無需前置放大，并且在軟件中進(jìn)行信號(hào)增益和偏差矯正，同時(shí)改進(jìn)了精度和分析靈話性。

　　重量測(cè)量需要更高的精度持續(xù)測(cè)量，并且對(duì)于執(zhí)行高精度批量控制和高速稱重功能來說非常重要。實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品可以大到笨重的大塊產(chǎn)品(如混凝土)，小到消費(fèi)產(chǎn)品(如薯片)，但是，對(duì)準(zhǔn)確性和快速響應(yīng)的需求對(duì)于達(dá)到質(zhì)量和產(chǎn)量目標(biāo)來說非常重要。