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高分辨率模数转换器 更新时间:2011-05-28 19:50

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高分辨率模数转换器对极宽动态范围内的输入信号进行数字化处理,例如环境声压计要能在60至80dB范围内检测信号。如果使用相对低分辨率的ADC,如10位有效分辨率,高电平信号的分辨率可能接近10位。然而,对于低电平信号,如果小于满量程的10%,其有效分辨率可能不超过6或7位。因此在很多情况下,对于精度只有1%的传感器来说,等效精度为0.1%的10位分辨率足够了。然而,对于更低电平信号,有效分辨率可能小于1%。

高分辨率模数转换器设计问题解决

  • 在相对较低分辨率ADC之前连接可编程增益放大器(PGA)。

    将输入信号加在ADC之前连接的缓冲放大器。

    使用高分辨率ADC。

高分辨率模数转换器PGA法

  • 历史上,PGA方法曾经非常流行,因为与较低成本ADC配对使用时,它比高分辨率ADC更具成本优势。此方法特别适用于输入信号接近0V但具有较宽动态范围的情况。

    这类似于过程控制系统,需要监控具有不同信号范围的各种信号,例如声压计。如果对较宽动态范围的信号进行增益范围调整,所产生的最关键误差是“交越不匹配”。

    这意味着当PGA切换到不同的增益值时,数字输出可能在那个点发生上下跳变。因此,在每一级都必须小心匹配增益来降低这种影响。从不同信号源中复用信号时,这个问题并不重要。然而,这与系统是否针对每个信号设计固定增益有关,如图2所示,或者对于较宽范围信号输入进行动态增益切换。

    增益范围调整方法会产生以下问题:

    虽然可驱动一个12位ADC,但如果在其前放置一个增益为27 = 128的放大器,则放大器的有效输入噪声和失调电压精度必须为18位。对于采用固定增益运算放大器,这会有问题,而采用PGA切换时,问题可能还会更严重。这样,将精度要求从ADC转移到PGA,却没有带来任何好处。

    在进行增益切换时,必须先对信号有所了解。可使用ADC的超量程输出,并配合软件,或者通过比较器来实现这一点。这个过程很麻烦,而且切换时间也会是个问题。(也许您还记得古老的增益范围调整DVM,在改变范围时它的速度有多慢!)可以对增益为128的精密低噪声运算放大器进行简单的分析:计算有效输出噪声和失调电压,并与低分辨率ADC的最低有效位(LSB)进行比较。然而,在高增益模式下,运算放大器的线性度会是个问题。

单个高分辨率ADC

  • 单个高分辨率ADC的优点是简单(见图3)。如果使用16位ADC,对于较小动态范围的信号,丢失3、4或5位会使该信号的有效分辨率降至11至14位。然而,对于大多数传感器来说此精度足够了,因为ADC的精度相当于0.05%或更佳。

    由于这些器件的价格最近已降到5美元或更低,因此成本将不再是需要考虑的因素。如果需要更高的有效分辨率,或者需要适应更宽的动态范围,可以使用18至24位的ADC,仍然能提供性价比较高也更简单的系统。

图册

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