高解析度模數轉換器

高解析度模數轉換器

高解析度模數轉換器對極寬動態範圍內的輸入信號進行數位化處理,例如環境聲壓計要能在60至80db範圍內檢測信號。如果使用相對低解析度的adc,如10位有效解析度,高電平信號的解析度可能接近10位。然而,對於低電平信號,如果小於滿量程的10%,其有效解析度可能不超過6或7位。因此在很多情況下,對於精度只有1%的感測器來說,等效精度為0.1%的10位解析度足夠了。然而,對於更低電平信號,有效解析度可能小於1%。

設計問題解決

在相對較低解析度adc之前連線可程式增益放大器(pga)。  將輸入信號加在adc之前連線的緩衝放大器。  使用高解析度adc。

pga法

歷史上,pga方法曾經非常流行,因為與較低成本adc配對使用時,它比高解析度adc更具成本優勢。此方法特別適用於輸入信號接近0v但具有較寬動態範圍的情況。  這類似於過程控制系統,需要監控具有不同信號範圍的各種感測器信號,例如聲壓計。如果對較寬動態範圍的信號進行增益範圍調整,所產生的最關鍵誤差是“交越不匹配”。  這意味著當pga切換到不同的增益值時,數字輸出可能在那個點發生上下跳變。因此,在每一級都必須小心匹配增益來降低這種影響。從不同信號源中復用信號時,這個問題並不重要。然而,這與系統是否針對每個信號設計固定增益有關,如圖2所示,或者對於較寬範圍信號輸入進行動態增益切換。  增益範圍調整方法會產生以下問題:  雖然可驅動一個12位adc,但如果在其前放置一個增益為27 = 128的放大器,則放大器的有效輸入噪聲和失調電壓精度必須為18位。對於採用固定增益運算放大器,這會有問題,而採用pga切換時,問題可能還會更嚴重。這樣,將精度要求從adc轉移到pga,卻沒有帶來任何好處。  在進行增益切換時,必須先對信號有所了解。可使用adc的超量程輸出,並配合軟體,或者通過比較器來實現這一點。這個過程很麻煩,而且切換時間也會是個問題。(也許您還記得古老的增益範圍調整dvm,在改變範圍時它的速度有多慢!)可以對增益為128的精密低噪聲運算放大器進行簡單的分析:計算有效輸出噪聲和失調電壓,並與低解析度adc的最低有效位(lsb)進行比較。然而,在高增益模式下,運算放大器的線性度會是個問題。

單個高解析度adc

單個高解析度adc的優點是簡單(見圖3)。如果使用16位adc,對於較小動態範圍的信號,丟失3、4或5位會使該信號的有效解析度降至11至14位。然而,對於大多數感測器來說此精度足夠了,因為adc的精度相當於0.05%或更佳。  由於這些器件的價格最近已降到5美元或更低,因此成本將不再是需要考慮的因素。如果需要更高的有效解析度,或者需要適應更寬的動態範圍,可以使用18至24位的adc,仍然能提供性價比較高也更簡單的系統。

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