關(guān)于高效信號(hào)鏈的成本及應(yīng)用分析

放大器雖然擴(kuò)展了輸入信號(hào)幅度，但同時(shí)也加劇了信號(hào)噪聲，限制了動(dòng)態(tài)范圍。因此信號(hào)鏈通常要在信號(hào)轉(zhuǎn)換之前設(shè)置濾波級(jí)，以此來限制有用信號(hào)頻率以外的噪聲影響。

對(duì)于要求最大靈活性的應(yīng)用，工程師可以使用數(shù)字電位器例如美信的MAX540x和德州儀器的TPL0102系列搭建濾波電路，使用簡(jiǎn)單的控制邏輯或者通過上位機(jī)微控制器來驅(qū)動(dòng)它們。然而對(duì)于信號(hào)特征相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)用，簡(jiǎn)單的無(wú)源組件 就能夠滿足設(shè)計(jì)濾波的要求。除了噪聲帶寬限制問題，通常信號(hào)鏈要求使用抗鋸齒濾波器，以減少采樣誤差，不過過采樣轉(zhuǎn)換方法可以降低這級(jí)電路的需求。

信號(hào)轉(zhuǎn)換

信號(hào)調(diào)節(jié)電路包括放大器和濾波器，設(shè)計(jì)的目的只有一個(gè)，就是給ADC輸入提供“干凈”的信號(hào)。因此，這些前端組件的復(fù)雜性和性能規(guī)范很大程度上取決于ADC器件的特征和要求。如果在信號(hào)鏈中只要求為變換緩慢的信號(hào)提供相對(duì)低分辨率的轉(zhuǎn)換，那么昂貴的高精度的放大器就可以省下了。

在實(shí)際情況中，最適合ADC器件的選擇——以及所需的信號(hào)調(diào)節(jié)組件選擇——反過來取決于對(duì)輸入信號(hào)特征的仔細(xì)分析和應(yīng)用的整體功能要求。一個(gè)應(yīng)用信號(hào)鏈的精度（和成本）需要在環(huán)境溫度下定期測(cè)量漸進(jìn)的變化，這與一個(gè)“任務(wù)-關(guān)鍵過程-控制”的應(yīng)用中，只打算提供及時(shí)反饋的機(jī)制是由很大不同的。事實(shí)上，ADC的選擇通常取決于信號(hào)轉(zhuǎn)換吞吐量和延遲時(shí)間的要求（延遲時(shí)間即信號(hào)采集開始到ADC輸出端有正確的響應(yīng)信號(hào)）。

工程師可以從提供不同性能水準(zhǔn)的ADC器件的結(jié)構(gòu)中推斷出一些結(jié)論，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延時(shí)，每種結(jié)構(gòu)都提供了內(nèi)在功能和限制。例如，閃爍型ADC結(jié)構(gòu)通常具有最高的吞吐量和最低的延遲，但是一般只在較低分辨率情況下使用才具有成本效益。Flash ADC器件，例如亞德諾半導(dǎo)體公司的AD782x和德州儀器公司的TLC0820，使用并行轉(zhuǎn)換配置原理實(shí)現(xiàn)高速配置。它們具有的高吞吐量和最小延遲特性，這使它們成為聲音編碼應(yīng)用方面的理想選擇，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用方面顯著的延遲是不允許的。

相比之下，逐次逼近式（SAR）和 (ΣΔ)型 ADC能夠?yàn)檩^寬范圍的要求和應(yīng)用提供良好的成本效益。SAR ADC已經(jīng)成為大多數(shù)中等到高級(jí)分辨率應(yīng)用的主要選擇。這些器件在單個(gè)周期內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方面合適的選擇，例如控制環(huán)路、電源監(jiān)控和信號(hào)分析等都要求最小的延遲時(shí)間。

對(duì)于高分辨率轉(zhuǎn)換ΣΔ ADC器件一般是最低成本的選擇，因?yàn)槠涔逃械倪^采樣結(jié)構(gòu)。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的ΣΔ ADC器件因其相對(duì)緩慢的建立時(shí)間和內(nèi)部數(shù)字濾波器的尖銳截止而造成了應(yīng)用受限，因此，即使在一些ΣΔ ADC的性能就能勝任的情況下，設(shè)計(jì)師有時(shí)也會(huì)選擇采用SAR ADC。例如，傳統(tǒng)情況下在控制環(huán)路和多路復(fù)用應(yīng)用方面，SAR ADCs已經(jīng)成為第一選擇，因?yàn)椴粌H要考慮到傳統(tǒng)ΣΔ轉(zhuǎn)換器的性能。

在工業(yè)過程、家居應(yīng)用或者汽車應(yīng)用方面，反饋延時(shí)會(huì)造成控制回路的不穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)師有時(shí)候會(huì)選擇SAR ADC，而不是冒險(xiǎn)使用較長(zhǎng)延遲的ΣΔ ADC。然而，實(shí)際上在信號(hào)相對(duì)緩慢的控制應(yīng)用方面，ΣΔ ADC可預(yù)見性延遲可能對(duì)控制回路的影響是微不足道的。

在多通道應(yīng)用方面，設(shè)計(jì)師往往復(fù)用單個(gè)ADC器件的多個(gè)輸入通道，這樣可以節(jié)省成本、封裝和整體組件的數(shù)量。對(duì)于這些設(shè)計(jì)，基于傳統(tǒng)上的考慮，在下一個(gè)信號(hào)通道復(fù)用到ADC的輸入通道之前，ΣΔ ADC可能不能足夠快的完成前一次的轉(zhuǎn)換，因此工程師已經(jīng)轉(zhuǎn)向采用SAR ADC。然而，在很多傳感應(yīng)用方面，監(jiān)測(cè)的物理現(xiàn)象的變化速率遠(yuǎn)低于ΣΔ ADC的建立時(shí)間，因此很多復(fù)用通道可以選擇使用ΣΔ ADC，完全可以勝任。

盡管傳統(tǒng)的ΣΔ ADC很適合那些信號(hào)變化緩慢的應(yīng)用，但是先進(jìn)的ΣΔ ADC，例如德州儀器公司的ADS124x，具備更加復(fù)雜的功能，很大程度上消弭了傳統(tǒng)上的問題（如圖 4）。例如，更加復(fù)雜濾波技術(shù)會(huì)在下一代器件中使用，允許輸出零延遲。因此，24位的ΣΔ ADC，例如TIADS124x能夠提供差分復(fù)用輸入，且輸出速率可達(dá)到2ksps。

圖 4：先進(jìn)技術(shù)的24位ΣΔ ADCs，例如TIADS124x，已經(jīng)消除了很多傳統(tǒng)顧慮，如在低延遲設(shè)計(jì)和復(fù)用差分輸入設(shè)計(jì)中使用ΣΔ ADC

除了要使ADC的規(guī)格符合應(yīng)用要求外，設(shè)計(jì)師要考慮參考電壓的作用，進(jìn)一步優(yōu)化模擬信號(hào)鏈。在信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中，除了提供穩(wěn)定的參考電壓外，參考電壓的精度對(duì)于確保轉(zhuǎn)換的絕對(duì)精確是至關(guān)重要的。在一些應(yīng)用中，例如電池供電設(shè)計(jì)或者能量采集設(shè)計(jì)，這些器件是尤其重要的，在這些設(shè)計(jì)中，隨著電池達(dá)到放電周期的結(jié)束或者采集能量源周期性的變?nèi)?，源電壓可能?huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

對(duì)于那些不要求如此絕對(duì)精度水平的應(yīng)用，設(shè)計(jì)師可以通過使用比例轉(zhuǎn)換方法（如圖 5）消除對(duì)參考電壓精度的需求。比例轉(zhuǎn)換提供的結(jié)果是與參考電壓（通常是源電壓或者勵(lì)磁電壓）的一個(gè)比值。使用這種方法，即使當(dāng)源電壓波動(dòng)時(shí)，ADC的輸出仍保持比例格式輸出。

圖 5：ADC器件例如美信的MAX1415可以運(yùn)行在比率計(jì)模式，消除了信號(hào)轉(zhuǎn)換對(duì)精確參考電壓的需要.

數(shù)字域

通常ADC提供標(biāo)準(zhǔn)的I2C或者SPI兼容串行接口，用于將模擬信號(hào)鏈的輸出與MCU（微控制單元）連接。隨著數(shù)據(jù)傳入MCU，對(duì)于更高性能要求的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以在軟件部分或者數(shù)字信號(hào)處理硬件部分實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的濾波算法，提高信噪比。

利用靈敏的截止和陷波濾波器可以減少模擬器件的使用，例如，設(shè)計(jì)師可以選擇將復(fù)雜的濾波轉(zhuǎn)移到數(shù)字區(qū)域，而不是使用更多復(fù)雜模擬濾波組件來增加設(shè)計(jì)面積，盡管在某些特別應(yīng)用里要求這么做。當(dāng)然，從內(nèi)存要求和MCU的性能來看，增加軟件的復(fù)雜度也加重了其自身的負(fù)擔(dān)。

結(jié)論

設(shè)計(jì)師可以發(fā)現(xiàn)滿足性能規(guī)范的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換組件以應(yīng)對(duì)大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的苛刻要求。不過，對(duì)于很多的應(yīng)用，信號(hào)鏈不需要采用最好的性能規(guī)格組件就能夠有效滿足應(yīng)用設(shè)計(jì)要求。通過匹配ADC與轉(zhuǎn)換要求以及信號(hào)調(diào)節(jié)組件與ADC規(guī)格，工程師也可以輕松設(shè)計(jì)出滿足性能和成本要求的信號(hào)鏈。