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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 基于LabVIEW的先進(jìn)儀器系統(tǒng)</p><p> 4.6 通用信號(hào)調(diào)理功能</p><p> 無論所使用的傳感器或換能器是什么類型,適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)設(shè)備可以提高該系統(tǒng)的質(zhì)量和性能。信號(hào)調(diào)理功能對(duì)所有類型的信號(hào)都非常有用,包括放大,濾波和隔離信號(hào)。</p><p><b> 4.6.1擴(kuò)增</b></p>
2、<p> 不必要的噪音對(duì)基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量精度是一場(chǎng)浩劫。信號(hào)調(diào)理放大電路,它適用于電腦機(jī)箱外,并靠近信號(hào)源的增益,可以提高測(cè)量的分辨率和有效地減少噪聲的影響。一個(gè)放大器,不論位置是直接接在DAQ板卡或者是基于外部信號(hào)條件,都可以在ADC信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值之前獲得增益小信號(hào)。升壓輸入信號(hào)盡可能多的利用ADC的輸入范圍。然而,許多傳感器產(chǎn)生的電壓輸出信號(hào)是毫伏甚至微伏的量級(jí)。這些低級(jí)的模擬信號(hào)可以直接在DAQ板卡放大
3、,也可以從信號(hào)導(dǎo)線或電腦機(jī)箱內(nèi)放大任何選擇的噪音信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)小到微伏,這個(gè)噪聲會(huì)淹沒了信號(hào)本身,就會(huì)導(dǎo)致無意義的數(shù)據(jù)。</p><p> 為減少對(duì)信號(hào)系統(tǒng)噪聲影響的簡(jiǎn)單方法是對(duì)盡可能靠近源的信號(hào)進(jìn)行放大,在可能會(huì)損壞信號(hào)的噪音進(jìn)入導(dǎo)線或電腦機(jī)箱之前,提高模擬信號(hào)的電壓高于噪音信號(hào)。例如,一個(gè)J型熱電偶輸出一個(gè)級(jí)別非常低的以50μV/℃改變電壓值的信號(hào)。</p><p> 4.6.2
4、過濾和平均</p><p> 過濾器是用來屏蔽在一定頻率范圍內(nèi)不必要的噪音。許多系統(tǒng)將展出來自源60Hz的周期性噪聲等組件作為電源或動(dòng)作。低通濾波器信號(hào)調(diào)理電路可以消除不需要的高頻分量。但是,一定要慎重選擇濾波器的帶寬,這樣信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間</p><p> 可以不受影響。盡管許多信號(hào)調(diào)節(jié)器包括低通噪聲濾波器可以消除不必要的噪音,但還要采取另外的預(yù)防措施,即使用軟件平均法去除額外的噪聲。
5、</p><p> 軟件平均法是數(shù)字濾波獲取讀數(shù)簡(jiǎn)單而有效的方法;對(duì)于所需的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和平均多個(gè)電壓讀數(shù)。例如,一個(gè)常見的方法是獲取100點(diǎn),為每個(gè)需要的測(cè)量量取平均值。</p><p><b> 4.6.3隔離</b></p><p> 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接地不當(dāng)是測(cè)量問題和損壞DAQ板卡最常見的原因。隔離信號(hào)調(diào)節(jié)器可以通
6、過將信號(hào)從源到測(cè)量設(shè)備通過沒有電或物理連接來防止這些大部分問題。隔離中斷接地環(huán)路,屏蔽高共模電壓,并保護(hù)昂貴的數(shù)據(jù)采集儀器。對(duì)于電路隔離的常用方法包括使用光學(xué),磁或容性隔離器。磁性和電容隔離調(diào)制信號(hào)將電壓轉(zhuǎn)換成頻率。</p><p> 頻率沒有直接的物理連接傳輸,在不被轉(zhuǎn)換為電壓值之前,可以跨越一個(gè)變壓器或電容器。該電壓被稱為普通電壓。如果使用一個(gè)單端測(cè)量系統(tǒng),如圖4.27所示,測(cè)得的電壓包括從所需信號(hào),VS,
7、以及來自額外的接地電流系統(tǒng)中的共模電壓VG。</p><p> 如果一個(gè)數(shù)據(jù)采集板卡在具有差動(dòng)輸入的情況下,可屏蔽一些典型地高達(dá)12V的共模電壓。然而,更大的地電位差,或接地回路,會(huì)損害未受保護(hù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。</p><p><b> 4.6.4復(fù)用</b></p><p> 信號(hào)調(diào)理器配備信號(hào)多路復(fù)用器,可以有效地?cái)U(kuò)大輸入/輸出(I/
8、 O)的插入式DAQ板卡的能力。典型的插入式DAQ板卡有8-16個(gè)模擬輸入和8-24的數(shù)字I / O線。外部多路復(fù)用器可以增加插件板上的I / O容量為數(shù)百甚至上千個(gè)頻道。</p><p> 模擬輸入多路復(fù)用器采用固態(tài)繼電器或開關(guān)順序切換,或掃描。多路模擬輸入信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集板卡的通道。</p><p> 4.6.5數(shù)字信號(hào)調(diào)理</p><p> 數(shù)字信號(hào)需要
9、信號(hào)調(diào)理的外圍設(shè)備直接與DAQ板卡連接信號(hào)。但在研究和工業(yè)環(huán)境中直接連接不是一個(gè)很好的做法,因?yàn)榇蟮碾妷杭夥寤虼蠊材k妷捍嬖诘目赡苄裕珼AQ板卡沒有某種類型的隔離數(shù)字信號(hào)。有些信號(hào)調(diào)理模塊和電路板光學(xué)隔離數(shù)字量I/ O信號(hào),以消除這些問題。數(shù)字I/ O信號(hào)可以控制機(jī)電或固態(tài)繼電器切換負(fù)載,如螺線管,照明燈,電動(dòng)機(jī),等等。固態(tài)繼電器也可以用來檢測(cè)高電壓場(chǎng)信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。</p><p><b>
10、; 4.6.6脈沖操作</b></p><p> 單個(gè)脈沖可以被用于樣品的可變電容器,例如在微型計(jì)算機(jī)等讀出脈沖,或可以用于脈沖串。這種方法可以用于更簡(jiǎn)單的電子設(shè)備,但將有較高的噪音。</p><p> 4.6.7基于PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)</p><p> 在本節(jié)討論的信號(hào)調(diào)理功能是在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)不同類型信號(hào)的調(diào)理。這些產(chǎn)品涵蓋了非常廣泛
11、的價(jià)值和能力。例如,美國(guó)國(guó)家儀器公司的SC-207X系列終端板使用了熱電偶溫度傳感器與易于除去電流測(cè)量電阻的絲印組件位置的實(shí)驗(yàn)布線區(qū),簡(jiǎn)單的電阻 - 電容(RC)濾波器和其它的信號(hào)調(diào)理電路。</p><p> 信號(hào)調(diào)理的5B系列I / O模塊針對(duì)特定類型的傳感器或信號(hào)。多達(dá)16個(gè)I/ O模塊可以安裝在背板,并直接將模塊連接到插入式DAQ板卡。對(duì)于外部信號(hào)復(fù)用,AMUX-64T模擬多路復(fù)用器板擴(kuò)展I / O多功能
12、板卡的模擬輸入功能多達(dá)256個(gè)通道。AMUX-64T還包括一個(gè)溫度傳感器和com-分量的位置。SCXI產(chǎn)品線結(jié)合復(fù)用模塊的信號(hào)調(diào)節(jié)的靈活性,可擴(kuò)展性,構(gòu)成是一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p> 4.6.8 SCXI信號(hào)調(diào)理</p><p> 在LabVIEW中,信號(hào)調(diào)理擴(kuò)展儀器(SCXI)是一個(gè)信號(hào)調(diào)理和前端插入式DAQ板卡儀器。SCXI系統(tǒng)包含的SCXI機(jī)箱容納一個(gè)或復(fù)用多個(gè)信號(hào)調(diào)理
13、模塊,放大,隔離,條件模擬和數(shù)字信號(hào)。該SCXI系統(tǒng)將調(diào)理后的信號(hào)通過一個(gè)單一的插入式DAQ板直接采集到PC。各種SCXI模塊有不同的信號(hào)調(diào)理功能。</p><p> 例如,SCXI-1120模塊是一個(gè)8通道隔離放大器模塊。每個(gè)輸入通道包括隔離放大器,最高可達(dá)2,000的增益和低通濾波器可配置為4赫茲或10kHz時(shí)的增益。SCXI-1121模塊是一個(gè)四通道隔離放大器模塊,也有四個(gè)通道激勵(lì)。用戶可以為電壓或電流設(shè)
14、定每個(gè)激勵(lì)通道。該模塊還包括完成應(yīng)變計(jì)測(cè)量半橋電路。對(duì)于SCXI模塊接線端子包括熱電偶溫度傳感器冷端補(bǔ)償。</p><p> 信號(hào)調(diào)理連接器(SCC)系列是一個(gè)模塊化便攜式信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。SCC包括單通道和雙通道信號(hào)調(diào)理模塊,內(nèi)置信號(hào)連接器。例如,SCC-TC02提供了放大,濾波,冷端補(bǔ)償和一個(gè)方便的迷你熱電偶輸入插頭連接器。SCC模塊的任意組合可以安裝到一個(gè)SCC的載體或背板,如SC-2345。SC-2345最
15、多可容納18個(gè)SCC模塊和電纜直接接到E系列DAQ板卡或模塊。</p><p> 信號(hào)調(diào)理是一個(gè)完整的基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。連接信號(hào)調(diào)理的傳感器有許多功能,如熱電偶,RTD,應(yīng)變計(jì)和電流輸出設(shè)備到基于PC的DAQ板卡。對(duì)于因功能,如放大,隔離和濾波的任何類型的測(cè)量中使用的傳感器,信號(hào)調(diào)節(jié)提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度,有效性和安全性。NI的SCXI產(chǎn)品線可以提供信號(hào)調(diào)理和儀器前端所需的基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
16、。</p><p> 4.7模擬到數(shù)字控制器</p><p> 如果傳感器設(shè)備本身是數(shù)字的,那連接數(shù)字電路來感應(yīng)設(shè)備很簡(jiǎn)單。由于其信號(hào)的開/關(guān)性質(zhì),開關(guān),繼電器,以及編碼器很容易地與門電路連接。然而,涉及到模擬設(shè)備時(shí),接口變得復(fù)雜得多。以電子設(shè)備將許多模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字(二進(jìn)制),有些結(jié)構(gòu)是必要的,并且反之亦然。一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器,或ADC,執(zhí)行前一個(gè)任務(wù)的同時(shí)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器,或D
17、AC,執(zhí)行后者。一個(gè)ADC輸入一個(gè)模擬電信號(hào),例如電壓或電流,并輸出一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。以方框圖的形式,它可以表示為如圖4.28所示。</p><p> 4.7.1了解積分型ADC</p><p> 積分型ADC提供高分辨率的A / D轉(zhuǎn)換,具有良好的噪聲抑制。這些ADC非常適用于數(shù)字化的低帶寬信號(hào),并應(yīng)用在如數(shù)字萬用表和儀表盤的使用。它們通常包括液晶顯示或LED驅(qū)動(dòng)器,可單獨(dú)應(yīng)用無微控制器
18、的主機(jī)。以下部分說明集成ADC的工作方式。討論包括單,雙和多斜率轉(zhuǎn)換。此外,還會(huì)深入討論分析整合結(jié)構(gòu)。</p><p> 最后,對(duì)其他ADC結(jié)構(gòu)的比較,將有助于對(duì)集成ADC的理解和選擇。集成的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)提供高分辨率,并能提供良好的線路頻率和噪聲抑制。在開始就無處不在的7106,這些轉(zhuǎn)換已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。積分體系結(jié)構(gòu)提供了一種新穎和簡(jiǎn)單的方法,以一個(gè)低帶寬的模擬信號(hào)變換成它的數(shù)字表示。這
19、些類型的轉(zhuǎn)換器通常包括內(nèi)置驅(qū)動(dòng)LCD或LED顯示器,并發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用在許多便攜式儀器,包括數(shù)字面板表及數(shù)字萬用表。</p><p><b> 單斜率ADC結(jié)構(gòu)</b></p><p> 積分ADC最簡(jiǎn)單的形式采用單斜率結(jié)構(gòu)(圖4.31a,b所示)。這里,一個(gè)未知的輸入電壓被集成,其值與已知的參考值進(jìn)行比較。積分器跳閘比較器需要的時(shí)間與未知電壓(VINT/ VIN)成正
20、比。在這種情況下,已知的基準(zhǔn)電壓必須是穩(wěn)定的和精確的,以保證測(cè)量的精度。</p><p> 這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是,精度也依賴于積分器的R和C值的公差。因此,在生產(chǎn)環(huán)境中,每個(gè)組件的值略有差異就會(huì)改變轉(zhuǎn)換結(jié)果并且非常難以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的可重復(fù)性。為了克服這個(gè)敏感的元件值,使用雙斜率積分體系結(jié)構(gòu)。</p><p><b> 雙斜率ADC結(jié)構(gòu)</b></p>&
21、lt;p> 雙斜率ADC(DS-ADC)以固定的時(shí)間量(TINT)集成了一個(gè)未知的輸入電壓(VIN),然后使用一個(gè)已知的參考電壓(VREF)“瓦解”(TDEINT)可變的時(shí)間量(如圖4.29)。</p><p> 這種結(jié)構(gòu)相對(duì)與單斜率的主要優(yōu)點(diǎn)是,最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果是不敏感的元件值誤差。也就是說,在積分周期內(nèi),由該組件值引入的任何誤差在反積分階段將被消除了。方程形式為:</p><p&g
22、t; 從這個(gè)等式中,可以發(fā)現(xiàn),反積分時(shí)間正比于VIN / VREF之比。雙斜率轉(zhuǎn)換器的完整電路圖如圖4.30所示。</p><p> 例如,為獲得10位分辨率,對(duì)1024(210)個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行整合,然后分解為1024個(gè)時(shí)鐘周期(給最多兩個(gè)210個(gè)周期的轉(zhuǎn)換)。對(duì)于更高的分辨率,增加時(shí)鐘周期數(shù)。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間和分辨率之間的折衷是固有的。改變一個(gè)給定的分辨率以加快轉(zhuǎn)換時(shí)間為中度電路這是可能的。不幸的是,所有轉(zhuǎn)
23、移部分精度的改進(jìn)都是用來匹配的,外部元件,電荷注入等。換句話說,所有的高速化技術(shù),有較大的誤差預(yù)算。即使在圖4.1的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換,也有很多潛在的誤差來源要考慮,如電源抑制(PSR),共模抑制(CMR),有限增益,過電壓的擔(dān)憂,集成器飽和,比較器的速度,比較振蕩,“翻轉(zhuǎn)”,介質(zhì)吸收,電容的漏電流,寄生電容,電荷注入等。</p><p><b> 多斜率積分ADC</b></p>&
24、lt;p> 為雙斜率建筑的分辨率的正常上限誤差是基于比較器的速度。對(duì)于一個(gè)20位轉(zhuǎn)換器(部分約1百萬分之一)和一個(gè)1MHz時(shí)鐘,轉(zhuǎn)換時(shí)間將大約2秒??吹降恼`差比較斜坡率約2V/106被劃分為1μs。這大約為2μV/μs。有了這樣一個(gè)小的壓擺率,誤差比較將集成了相當(dāng)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其觸發(fā)點(diǎn)。這種過沖(在積分器輸出端測(cè)量)被稱為“殘基”,這蠻力的方法是不可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)20位的轉(zhuǎn)換器的。</p><p><b&
25、gt; 其它的ADC結(jié)構(gòu)</b></p><p> 本節(jié)的重點(diǎn)是集成ADC與一個(gè)連續(xù)的近似寄存器(SAR)和Σ-Δ型ADC。閃速和流水線ADC結(jié)構(gòu)將被忽略,因?yàn)樗鼈兒苌伲ㄈ绻械脑挘?duì)較慢的速度整合結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)。</p><p> 連續(xù)與近似寄存器ADC</p><p> 無論是SAR和整合的結(jié)構(gòu)與低帶寬信號(hào)的正常工作。該SAR ADC具有更大的帶寬
26、范圍,因?yàn)樗麄兛梢匀菀椎膶⑿盘?hào)轉(zhuǎn)換速度控制在低MHz范圍內(nèi),而整合結(jié)構(gòu)是有限的,大約100個(gè)樣本/s。這兩種體系結(jié)構(gòu)具有低功耗的特點(diǎn)。自SAR ADC在轉(zhuǎn)換之間可以被關(guān)閉,有效的功率消耗類似于集成ADC(第一順序)。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間最大的區(qū)別是共模抑制和所需的外部元件數(shù)量。因?yàn)橛脩粼O(shè)置了積分時(shí)間,不想要的頻率,比如50Hz或60Hz,可以有效地去除。</p><p> 此外,SAR ADC整合以來,基本上是用平均
27、的方法,該集成ADC通常具有更好的噪聲性能。具有代碼邊緣噪聲和轉(zhuǎn)換雜散噪聲的SAR ADC將比集成的ADC對(duì)SAR ADC有更加不利的影響。積分ADC可以輕易轉(zhuǎn)換低電平信號(hào)。由于積分器的斜坡是由集成電阻的值設(shè)置,匹配輸入信號(hào)范圍的ADC是相當(dāng)容易的。大多數(shù)SAR在ADC輸入時(shí)會(huì)預(yù)期一個(gè)大信號(hào)。</p><p> 因此,對(duì)于小信號(hào)(即毫伏),前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路是必需的。集成ADC需要比SAR更多的外部元件。SAR通
28、常需要一對(duì)旁路電容。集成ADC需要一個(gè)良好的整合和參考電容,也是一個(gè)低漂移集成電阻。此外,參考電壓通常是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的值(如100或409.6mV),所以經(jīng)常使用參考電壓分壓器電路。</p><p><b> Σ與ΔADC</b></p><p> Σ-ΔADC使用過采樣,得到非常高的分辨率。它還允許輸入帶寬在低MHz范圍。像集成ADC,這種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的線路抑制。
29、它也提供了一個(gè)非常低功耗的解決方案,它允許低電平信號(hào)被轉(zhuǎn)換。與集成ADC不同的是,Σ-Δ不需要任何外部元件。此外,由于其是數(shù)字結(jié)構(gòu),它無需微調(diào)或校正。由于過采樣性質(zhì),而Σ-Δ包括一個(gè)數(shù)字濾波器的事實(shí),不經(jīng)常需要在前端用一個(gè)抗混疊濾波器。</p><p> Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的分辨率一般都在16位到24位,可同時(shí)集成針對(duì)12位至16位范圍的ADC。由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和它的成熟,集成ADC相當(dāng)便宜尤其是在12位的水平。然而
30、,在16位,Σ-Δ還提供了一種低成本的解決方案</p><p> 4.7.2了解SAR ADC</p><p> 逐次逼近寄存器(SAR)模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC )代表大多數(shù)ADC市場(chǎng)中高解析度的ADC。SAR ADC提供了高達(dá)5MSPS (每秒百萬次采樣)的采樣率,分辨率從8到18位。SAR結(jié)構(gòu)允許高性能,低功耗的ADC,被打包為小尺寸當(dāng)今要求苛刻的應(yīng)用程序。它還提供了SAR
31、ADC ,電容DAC ,也是高速比較器的心臟。</p><p> 最后,本文將對(duì)比SAR結(jié)構(gòu),通道及閃速ADC。在低于5MSPS采樣率的中到高分辨率應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)中,SAR ADC是常見的選擇。SAR ADC的最常用的分辨率范圍從8至16位,并提供低功耗和小尺寸。這種組合使得它們非常適合廣泛的應(yīng)用,如便攜式/電池供電儀表,筆輸入量化器,工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號(hào)采集。</p><p> 正如
32、其名稱所暗示的,SAR ADC,基本上實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制搜索算法。因此,由于逐次逼近算法ADC的采樣率是這個(gè)數(shù)字的一小部分,內(nèi)部電路可以在幾個(gè)兆赫(MHz)時(shí)被執(zhí)行。</p><p><b> 體系結(jié)構(gòu)</b></p><p> 雖然實(shí)現(xiàn)了很多變化的SAR ADC,但是基本結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單(如圖4.32)。模擬輸入電壓(VIN)保持在一個(gè)采樣/保持。為實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法,N
33、位寄存器首先設(shè)置為中等規(guī)模(即100....00,其中MSB被設(shè)置為“1”)。這迫使DAC輸出(VDAC)為VREF / 2,其中VREF是提供給ADC的參考電壓。然后進(jìn)行比較,以確定VIN是否小于或大于VDAC。</p><p> 如果VIN大于VDAC,比較器輸出為邏輯高或“1”,N位寄存器的MSB保持為“1”。反之,如果VIN小于VDAC,比較器輸出是邏輯低和該寄存器的最高位被清為邏輯“0”。SAR控制邏
34、輯移至下一位,進(jìn)行下一次比較。按順序直到LSB。完成此操作后轉(zhuǎn)換完成,將N比特?cái)?shù)字字保存在寄存器內(nèi)。</p><p> Y軸(圖4.33中的粗線)表示DAC的輸出電壓。在該示例中,第一比較結(jié)果表明VIN <VDAC。因此,比特3設(shè)置為“0”。然后DAC設(shè)置為01002,并執(zhí)行第二比較。當(dāng)VIN> VDAC,位2保持為“1”。然后DAC設(shè)置為01102,然后執(zhí)行第三比較。位1被置為“0”,并在DAC被
35、設(shè)置到01012后,執(zhí)行最終比較。最后,因?yàn)閂IN> VDAC,位0保持為“1”。</p><p> 四個(gè)比較期間都需要4位ADC。一般來說,一個(gè)N位SAR ADC將需要N個(gè)比較周期,直到當(dāng)前的比較是完整的,否則將不準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換,。因此,這些類型的ADC是功率和節(jié)約的。一些市場(chǎng)上現(xiàn)有的最小ADC是基于SAR結(jié)構(gòu)的。</p><p> MAX1115-MAX1118系列是8位AD
36、C,以及他們更高分辨率的同行中,MAX1086和MAX1286的(分別為10和12位),適合在微小的SOT23封裝3mm測(cè)量3毫米。SAR型ADC的另一個(gè)特點(diǎn)是,采樣率的功耗尺度,不像閃速或流水線型ADC,它通常有恒定的功率消耗與采樣率。這在低功率應(yīng)用或數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中以不連續(xù)信號(hào)作為PDA的數(shù)字轉(zhuǎn)換器的情況下尤其有用。</p><p> SAR ADC,與其他的ADC結(jié)構(gòu)</p><p>
37、; 本節(jié)比較了SAR ADC,內(nèi)置流水線ADC,快閃ADC和Σ-Δ型ADC。</p><p> SAR ADC與流水線結(jié)構(gòu)</p><p> 流水線ADC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),其中每個(gè)階段在一至數(shù)位(連續(xù)樣本內(nèi))同時(shí)進(jìn)行工作。內(nèi)在的并行性增加吞吐量,但以功耗和延遲為代價(jià)。延遲在這種情況下,被定義為由ADC獲得模擬樣本的時(shí)間與在該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出時(shí)間之間的差值。例如,一個(gè)5級(jí)流水線ADC的延遲至少
38、有5個(gè)時(shí)鐘周期,而一個(gè)SAR的延遲僅有一個(gè)時(shí)鐘周期。請(qǐng)注意,延遲定義僅適用于ADC,而不是SAR,它運(yùn)行在許多倍的頻率。</p><p> 流水線型ADC經(jīng)常有數(shù)字誤差校正邏輯,在每個(gè)流水線階段用來減少閃速ADC(即比較器)的精度要求。另一方面,SAR ADC需要比較準(zhǔn)確的整體系統(tǒng)。一個(gè)流水線ADC比同等SAR通常顯著占用更多的硅片面積。例如一個(gè)SAR,擁有超過12位精度的流水線ADC,通常需要某種形式的微調(diào)或
39、校準(zhǔn)。</p><p> SAR ADC與Flash</p><p> 閃速ADC是由一個(gè)大的比較器,每個(gè)由寬帶的,低增益的前置放大器(s)組成,后跟一個(gè)鎖存器。該前置放大器只需要提供增益,但不必是線性的或準(zhǔn)確的,就是,只有比較器的觸發(fā)點(diǎn)必須是準(zhǔn)確的。其結(jié)果是,一個(gè)閃速ADC是最快的可用結(jié)構(gòu)。初級(jí)權(quán)衡速度是顯著更低的功耗和更小的外形。雖然極快的8位閃速ADC(或它們的折疊/內(nèi)插變形),
40、采樣率高達(dá)1.5G/秒(如MAX104/MAX106/MAX108),但很難找到一個(gè)10位閃存,而12位(及以上)閃速ADC不是商業(yè)上可行的產(chǎn)品。</p><p> 這完全是因?yàn)樵谝凰查g分辨率每增加一點(diǎn)比較器的數(shù)目上升了2倍,并在同一時(shí)間,每個(gè)比較器必須是準(zhǔn)確的兩倍。然而,在一個(gè)SAR ADC中,更高的分辨率需要更精確的零件,但復(fù)雜度不會(huì)成倍增加。當(dāng)然,SAR ADC是不能夠達(dá)到任何閃速ADC的速度的。<
41、/p><p> SAR ADC 與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器</p><p> 傳統(tǒng)的過采樣/Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器,常用在數(shù)字音頻應(yīng)用,限制在大約22kHz的帶寬。最近,一些高帶寬Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器已經(jīng)達(dá)到1-2MHz的帶寬,有12-16位分辨率。這些通常是高階Σ-Δ調(diào)制器(例如,四階或更高)結(jié)合了多位ADC和多位反饋DAC。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器具有不需要特別微調(diào)或校準(zhǔn)的先天優(yōu)勢(shì),甚至達(dá)到16?18位的分辨率。因?yàn)椴蓸铀?/p>
42、率比有效帶寬高得多,在模擬輸入時(shí)他們也不需要陡降的抗混疊濾波器;后端數(shù)字濾波器考慮到這個(gè)。</p><p> Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的過采樣性質(zhì)在模擬輸入的任何系統(tǒng)噪聲中也可能趨向于“平滑”。然而,解決Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的速度。需要采樣多次(至少16倍甚至更多),以生成一個(gè)最終的樣品,表明在Σ-Δ調(diào)制器內(nèi)部的模擬元件操作上比最終數(shù)據(jù)速率快的多。數(shù)字抽取濾波器的設(shè)計(jì)也是一個(gè)挑戰(zhàn),需要消耗大量的硅片面積。最快的高分辨率Σ-
43、Δ轉(zhuǎn)換器,預(yù)期在不久的將來也不會(huì)顯著高于幾MHz的帶寬。</p><p> 綜上所述,SAR ADC的主要優(yōu)點(diǎn)是低功率消耗,高分辨率和精度,和外形尺寸小。由于這些優(yōu)點(diǎn),SAR型ADC通??梢耘c其他較大的第二功能集成。SAR結(jié)構(gòu)成為準(zhǔn)確整體系統(tǒng)的主要限制是較低的采樣率和構(gòu)架塊的要求(如DAC和比較器)。</p><p> 4.7.3了解閃速ADC</p><p>
44、 閃速ADC,也被稱為并行ADC,是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的最快方式。閃速ADC非常適合需要非常大的帶寬的應(yīng)用程序,但是,它們通常消耗比其它ADC結(jié)構(gòu)更多的功率和一般僅限于8位分辨率。</p><p> 閃速ADC由級(jí)聯(lián)的高速比較器構(gòu)成。每個(gè)比較器代表至少一個(gè)顯著位(LSB),并可以在一個(gè)比較周期來確定輸出代碼。閃速模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器,也被稱為并行ADC,是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的最快方式。它們
45、適用于需要非常大的頻帶寬度的應(yīng)用程序。然而,閃速轉(zhuǎn)換器消耗大量的功率,具有相對(duì)較低的分辨率,并且相當(dāng)昂貴。這限制了他們對(duì)高頻率的應(yīng)用。例如包括數(shù)據(jù)采集,衛(wèi)星通信,雷達(dá)處理,取樣示波器,和高密度光盤驅(qū)動(dòng)器。</p><p><b> 結(jié)構(gòu)</b></p><p> 圖4.34顯示了一個(gè)典型的閃速ADC框圖。對(duì)于一個(gè)“N”位轉(zhuǎn)換器,該電路采用了2N-1個(gè)比較器。一個(gè)電
46、阻分壓器與2N電阻器提供參考電壓。每個(gè)比較器的參考電壓比緊接其下的比較器的基準(zhǔn)電壓大一個(gè)LSB。當(dāng)它的模擬輸入電壓比施加到它的參考電壓高時(shí),每個(gè)比較器輸出“1”。否則,比較器輸出為“0”,因此,如果模擬輸入是在Vx4和Vx5之間,比較器x1到 X4輸出“1”,其余的比較器輸出“0”。</p><p> 其中代碼改變從1到0變化的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是輸入信號(hào)比各自比較器的參考電壓電平較小的點(diǎn)。這就是所謂的溫度計(jì)碼編碼,如此
47、命名是因?yàn)樗愃埔粋€(gè)水銀溫度計(jì),其中水銀柱總是上升到適當(dāng)?shù)臏囟群蜔o汞的含量高于該溫度。解讀溫度計(jì)代碼,以適當(dāng)?shù)臄?shù)字代碼輸出。比較器是典型的寬帶低增益級(jí)級(jí)聯(lián)。它們是低增益,因?yàn)樵诟哳l率下,很難同時(shí)獲得寬的帶寬和高增益。它們被設(shè)計(jì)用于低電壓的偏移,使得輸入各比較器的偏移量是比ADC的小一個(gè)LSB。否則,比較器的偏移量可能會(huì)誤跳閘,產(chǎn)生不代表溫度計(jì)代碼數(shù)字輸出代碼。在每個(gè)比較器輸出一個(gè)再生鎖存器存儲(chǔ)結(jié)果。閂鎖具有正反饋,從而使端狀態(tài)被強(qiáng)制為任
48、一“1”或“0”。</p><p><b> 閃速代碼</b></p><p> 通常情況下,比較器的輸出將是一個(gè)溫度計(jì)代碼,如00011111。錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致像00010111(即,有一個(gè)偽零的結(jié)果)輸出。此順序?yàn)椤?”的被稱為閃速。這可能是由不穩(wěn)定完整輸入或比較時(shí)序不匹配引起的。該誤差的幅值可以是相當(dāng)大的?,F(xiàn)代的轉(zhuǎn)換器,如MAX104采用一種輸入跟蹤和保持,連
49、同前面ADC抑制閃速碼的編碼技術(shù)。</p><p><b> 元穩(wěn)定性</b></p><p> 當(dāng)數(shù)字比較器的輸出是模糊的(既不是一,也不是零),輸出被定義為亞穩(wěn)態(tài)。元穩(wěn)定性可以通過減少允許更多的時(shí)間進(jìn)行再生。格雷碼編碼也可以大大提高元穩(wěn)定性。格雷碼編碼只允許一個(gè)輸出位改變的時(shí)間。比較器輸出首先被轉(zhuǎn)換為格雷碼編碼,如果需要的話然后解碼后為二進(jìn)制。當(dāng)一元穩(wěn)定的輸出
50、驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同的電路時(shí),另一個(gè)問題會(huì)出現(xiàn)。這就是可能一個(gè)電路需要輸入“1”,而其他電路認(rèn)為這是一個(gè)“0”,這會(huì)造成重大的錯(cuò)誤。為了避免這種情況,應(yīng)該僅一個(gè)電路感應(yīng)電位的輸出。</p><p><b> 輸入信號(hào)頻率依賴性</b></p><p> 在所有比較器之前的輸入信號(hào)的變化已經(jīng)完成了他們的取決時(shí),ADC的性能將受到不利影響。最嚴(yán)重的影響是一個(gè)陡降的信號(hào)噪聲比加
51、上失真比(SINAD)作為頻率的模擬輸入頻率的增加。測(cè)量無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)是觀察轉(zhuǎn)換器性能的好方法。“有效位”是實(shí)現(xiàn)輸入頻率的函數(shù)。這可以在ADC之前通過添加一個(gè)跟蹤和保持(T/ H)電路加以改進(jìn)。這有著顯著的改善,尤其是當(dāng)輸入頻率接近奈奎斯特頻率,如圖所示4.35(取自MAX104數(shù)據(jù)表)所示。在關(guān)閉的SFDR中部分沒有跟蹤和保持會(huì)顯示顯著下降。</p><p><b> 時(shí)鐘抖動(dòng)</
52、b></p><p> 采樣時(shí)鐘有抖動(dòng)時(shí),信號(hào)-噪聲比(SNR)會(huì)劣化。這對(duì)于高模擬輸入頻率變得明顯。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的結(jié)果,重要的是提供了ADC的低抖動(dòng),采樣時(shí)鐘源。</p><p><b> 結(jié)構(gòu)權(quán)衡</b></p><p> ADC可通過采用各種硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這些替代品之間的特等權(quán)衡是:</p><p>
53、 ——完成轉(zhuǎn)換需要時(shí)間(轉(zhuǎn)換時(shí)間)。對(duì)于閃存轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時(shí)間實(shí)質(zhì)上是分辨率改變。轉(zhuǎn)換時(shí)間為SAR或流水線轉(zhuǎn)換器近似線性地增加分辨率(如圖4.34a)。對(duì)于集成ADC,每一點(diǎn)增加分辨率,轉(zhuǎn)換時(shí)間增加一倍。</p><p> ——部件匹配電路的要求。閃速ADC元件匹配通常限制分辨率約8位。校準(zhǔn)和修整有時(shí)可用于改善芯片的匹配。每一點(diǎn)增加分辨率元件匹配的要求要增加一倍。逐次逼近或流水線轉(zhuǎn)換器適用于閃存,而不是集成的轉(zhuǎn)換
54、器。對(duì)于集成轉(zhuǎn)換器,元件匹配不會(huì)因?yàn)榉直媛试黾佣a(chǎn)生重大的增加(如圖4.34B)。</p><p> 模具尺寸,成本和功耗。對(duì)于閃存轉(zhuǎn)換器,每一點(diǎn)增加的分辨率使ADC核心電路的尺寸幾乎翻了一番。功率也增加了一倍。相反,SAR,流水線,或Σ-ΔADC芯片尺寸會(huì)因增加的分辨率線性增加和一個(gè)集成轉(zhuǎn)換器的核心芯片尺寸將不會(huì)因分辨率變化而有重大的增加(如圖4.36)。芯片尺寸的增加成本也會(huì)隨著增加。</p>
55、<p> 閃速與逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p> SAR轉(zhuǎn)換器,是單一的高速位。模擬輸入與輸出由預(yù)先設(shè)定的更新位的DAC相比,比較器在一個(gè)周期內(nèi)要高一位。SAR這一系列性質(zhì)限制了它的速度不超過幾Msps,而閃速ADC的轉(zhuǎn)換率每秒超過千兆(GSPS)。SAR轉(zhuǎn)換器的分辨率可高達(dá)16位。這種裝置的一個(gè)例子是MAX1132。閃速ADC通常限制在8比特。較慢的速度使SAR ADC是在功耗上也低得
56、多。</p><p> 例如,MAX1106,8位SAR轉(zhuǎn)換器,采用100μA,3.3V與25ksps的轉(zhuǎn)換率。該MAX104功耗5.25W。這在功耗方面比MAX1106高大約16,000倍,而且其最高采樣速率也是其速度的40000倍。 SAR結(jié)構(gòu)也更便宜。在1K量的MAX1106售價(jià)約為1.51美元,而MAX104在銷售大約為398美元,閃速轉(zhuǎn)換器的封裝尺寸較大。除了較大的裸片尺寸,需要一個(gè)更大的包,包需要消
57、耗大量的電力,需要很多的大頭針以獲得電源和接地信號(hào)完整性。該MAX104的封裝尺寸比MAX1106大50倍以上。</p><p> 閃速與流水線型ADC</p><p> 流水線ADC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),其中每個(gè)階段同時(shí)作用于連續(xù)抽樣一個(gè)到幾個(gè)比特。這種提高速度是以功耗和延遲為代價(jià)。然而,每個(gè)流水線階段比閃速部分慢得多。流水線ADC需要在DAC和級(jí)間放大器精確放大,并且這些階段必須解決所需的
58、線性度水平。與此相反,在快閃型ADC中,比較器只需要低的偏移,并能夠解決其輸入到一個(gè)數(shù)字電平(即,不存在所涉及的線性穩(wěn)定時(shí)間)。然而,一些閃速轉(zhuǎn)換器需要預(yù)放大器來驅(qū)動(dòng)比較器。需要仔細(xì)地指定線性增益。流水線轉(zhuǎn)換器分辨率能夠達(dá)到8-14位,轉(zhuǎn)換速度大約為100MSPS。</p><p> 流水線轉(zhuǎn)換器的一個(gè)例子是MAX1449,為105MHz,10位ADC。對(duì)于給定的分辨率,相比同類分辨率閃速轉(zhuǎn)換器,流水線ADC大
59、約慢10倍。流水線轉(zhuǎn)換器可能用于需要速率高達(dá)100MSPS左右,分辨率為10位及以上的采樣ADC的最佳結(jié)構(gòu)。高達(dá)10位,高于幾百M(fèi)sps的轉(zhuǎn)換率的解決方案,閃速ADC占據(jù)主導(dǎo)地位。有趣的是,也有一些情況下,閃速ADC是隱藏為一個(gè)轉(zhuǎn)換器的體系結(jié)構(gòu),以提高其速度。在這種情況下,例如,在MAX1200,它包括一個(gè)內(nèi)部的5位快閃型ADC的16位流水線ADC。</p><p><b> 閃速與積分型ADC<
60、;/b></p><p> 單路,雙路和多斜率ADC可實(shí)現(xiàn)16位或更高的分辨率是相對(duì)便宜和消耗更少的功率。這些器件支持非常低的轉(zhuǎn)換率,通常小于每秒幾百個(gè)樣本。大多數(shù)應(yīng)用程序是在儀器儀表和工業(yè)市場(chǎng)監(jiān)測(cè)直流信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)Σ-Δ轉(zhuǎn)換器來說具有競(jìng)爭(zhēng)性。</p><p><b> 閃速與Σ-ΔADC</b></p><p> 閃速ADC不同
61、這種結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng),因?yàn)槟壳八苓_(dá)到的轉(zhuǎn)換率相差可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Σ-Δ結(jié)構(gòu)適合于低得多的帶寬,典型地在1MHz以下,應(yīng)用程序的分辨率范圍在12到16位。這些轉(zhuǎn)換器在ADC中可以達(dá)到最高的分辨率。他們需要更簡(jiǎn)單的抗混疊濾波器(如需要),以限制波段轉(zhuǎn)換之前的信號(hào)。他們轉(zhuǎn)換速度的分辨率經(jīng)過過采樣,然后通過過濾,以減少噪音。然而,這些裝置對(duì)多通道應(yīng)用并非總是有效的。</p><p> 此體系結(jié)構(gòu)可以通過使用采樣數(shù)據(jù)過濾器(也
62、稱為調(diào)制器)或連續(xù)時(shí)間濾波器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于較高頻率的轉(zhuǎn)化率的連續(xù)時(shí)間結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換率為6-8位的低分辨率范圍內(nèi)速度達(dá)到在上百M(fèi)sps是可能的。這種方法還處于早期研發(fā)階段,并提供競(jìng)爭(zhēng)在較低的轉(zhuǎn)換率范圍閃存的替代品。閃速ADC另一個(gè)有趣的用途是Σ-Δ電路內(nèi)部存在的構(gòu)造塊,增加了ADC的轉(zhuǎn)換速度。</p><p><b> 子區(qū)域ADC</b></p><p> 對(duì)于一個(gè)給定
63、的分辨率,當(dāng)需要更高分辨率的轉(zhuǎn)換器或更小的芯片尺寸和功耗,多級(jí)轉(zhuǎn)換被應(yīng)用了。這種體系結(jié)構(gòu)被稱為一個(gè)子區(qū)域轉(zhuǎn)換器。有時(shí)也被稱為多步或半閃速轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)合的思想來自逐次逼近和閃存結(jié)構(gòu)。子區(qū)域的ADC通過運(yùn)行一個(gè)較低的分辨率閃速轉(zhuǎn)換器降低被轉(zhuǎn)換的比特為較小的基團(tuán)。相比閃速轉(zhuǎn)換器(圖4.37)這種方法減少了比較器的數(shù)量,降低邏輯的復(fù)雜性。與閃存相比,結(jié)果是轉(zhuǎn)換速度較慢。</p><p> MAX153實(shí)現(xiàn)了具有8位,
64、1Msps的ADC子范圍結(jié)構(gòu)。該電路采用的兩步法。第一步,用一個(gè)4位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成。創(chuàng)建A殘基,其中4比特轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)(具有8位精度的DAC),并從輸入信號(hào)中減去。該殘基是由4位ADC再次轉(zhuǎn)換和所述第一和第二遍的結(jié)果進(jìn)行組合,以提供8位數(shù)字輸出。</p><p> 4.7.4了解流水線型ADC</p><p> 本節(jié)介紹了流水線ADC的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作。它討論了流水線型ADC,如
65、構(gòu)建,延時(shí),數(shù)字糾錯(cuò),元件精度和數(shù)字校準(zhǔn)的關(guān)鍵性能特征。該流水線ADC已經(jīng)成為最流行的ADC結(jié)構(gòu),采樣率從每秒數(shù)兆樣本(MSPS)到100MSPS,由8位分辨率到更快的高達(dá)16位的分辨率。</p><p> 這類解決方案和采樣率涵蓋了廣泛的應(yīng)用,包括CCD成像,超聲醫(yī)療成像,數(shù)字接收機(jī),基站,數(shù)字視頻(例如HDTV),xDSL,電纜調(diào)制解調(diào)器和快速以太網(wǎng)。低采樣率的應(yīng)用仍然是逐次逼近寄存器(SAR)的定義域和集
66、成結(jié)構(gòu)(以及最近的過采樣/Σ-Δ型ADC),而最高取樣率(幾百M(fèi)S每秒或更高),仍然使用閃速ADC及其變形。但是,它是安全地說,在最近幾年各種形式的流水線ADC的速度,分辨率,動(dòng)態(tài)性能大大提高,并且功耗降低。</p><p><b> 流水線ADC結(jié)構(gòu)</b></p><p> 圖4.38顯示了一個(gè)12位流水線ADC一個(gè)可能的框圖。在這里,模擬輸入電壓VIN首先取
67、樣,并用一個(gè)采樣保持(S&H)保持穩(wěn)定,而在第一階段的閃速ADC量化到3位。3位輸出,然后輸入到一個(gè)3位DAC(精確到大約12位),以及從輸入中減去模擬輸出。這個(gè)“殘基”,然后獲得了由4倍并送入下一階段(階段2 ) 。這樣獲得的殘?jiān)^續(xù)通過管道,提供每階段3比特,直到達(dá)到4位快閃型ADC ,它解決了最后4LSB比特。因?yàn)閺拿總€(gè)階段中的位在不同的時(shí)間點(diǎn)是確定的,被饋送到數(shù)字糾錯(cuò)邏輯之前用移位寄存器對(duì)準(zhǔn)所有相應(yīng)于相同樣品中位的進(jìn)行時(shí)間。需要
68、注意的是,只要某一個(gè)階段完成處理的樣品中,確定位,并通過將殘余物到下一個(gè)階段,它可以開始處理下一個(gè)樣本,由于取樣和保持嵌入在每個(gè)階段內(nèi),這種流水線操作占了高吞吐量。</p><p><b> 潛在</b></p><p> 因?yàn)槊總€(gè)樣品都有貫穿整個(gè)通道傳播及其所有相關(guān)位可用于數(shù)字誤差校正邏輯結(jié)合之前,數(shù)據(jù)延遲與流水線ADC的關(guān)聯(lián)。在圖4.39的例子中,這個(gè)等待時(shí)間
69、大約是三個(gè)周期。</p><p><b> 數(shù)字誤差校正</b></p><p> 最現(xiàn)代的流水線ADC的采用所謂的“數(shù)字誤差校正”技術(shù),來大大降低閃速ADC(因此單個(gè)比較器)精確度的要求。在圖4.39,3位殘基在求和節(jié)點(diǎn)的輸出只有原始階段輸入端(VIN)動(dòng)態(tài)范圍的八分之一,然而在隨后的增益只有4。因此,在階段2中輸入到階段2的只占據(jù)了3位ADC一半的范圍,(即,
70、當(dāng)在階段1不存在前3位錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)換)。</p><p> 當(dāng)應(yīng)用模擬輸入接近這個(gè)比較器的觸發(fā)點(diǎn),如果比較器中的一個(gè)在前3位的閃速ADC具有顯著偏移,因此一個(gè)錯(cuò)誤的3位代碼,不正確的3位DAC輸出會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不同的殘基。言下之意是,在圖4.39中整個(gè)ADC沒有準(zhǔn)確的閃速ADC。 事實(shí)上,在階段一至四的3位閃速ADC只需要大約4位的精度。數(shù)字誤差校正不會(huì)糾正在最后4位閃存轉(zhuǎn)換造成的錯(cuò)誤。然而,這里的任何錯(cuò)誤是由前4位閃
71、存大增益造成的,要求最后階段只有超過4位才是準(zhǔn)確的。在圖4.39中,雖然每個(gè)階段產(chǎn)生3位原始比特,因?yàn)榧?jí)間增益為只有4,每個(gè)階段(階段一至四個(gè))有效地解決僅2比特。因此整個(gè)ADC的比特的有效數(shù)量為2+2+2+2+4=12比特。</p><p><b> 元件精度</b></p><p> 數(shù)字誤差校正確實(shí)在個(gè)別DAC和放大器的增益有不正確的增益或線性誤差。特別是,
72、在前端采樣和容納,DAC需要大約12位精度,而在后續(xù)階段中的組件需要更少的精度(例如,階段2為10位,階段3為8位,等等),因?yàn)樗麄兊恼`差項(xiàng)是由預(yù)割讓間增益(次)分頻。事實(shí)是常常利用通過使流水線階段逐漸變小,以進(jìn)一步節(jié)省功耗。</p><p> 在大多數(shù)流水線設(shè)計(jì)CMOS或Bi CMOS技術(shù),S&H,DAC,求和節(jié)點(diǎn),以及增益放大器ADC時(shí),實(shí)現(xiàn)一個(gè)單一的開關(guān)電容電路塊通常被稱為乘法DAC(MDAC)。主要的限
73、制因素是MDAC精度與固有電容器不匹配。實(shí)現(xiàn)純粹雙極比較復(fù)雜,將主要受到電阻不匹配電流源DAC和級(jí)間增益放大器的影響。在一般情況下,大約12位的精度或更高時(shí),某種形式的電容/電阻微調(diào)或數(shù)字校準(zhǔn)是必需的,尤其是在你前第幾個(gè)階段。</p><p><b> 數(shù)字校準(zhǔn)</b></p><p> MAX1200,MAX1201和MAX1205型ADC,采樣率分別為16位,
74、14位和2位。MAX系列采用數(shù)字化校準(zhǔn),以確保其出色的精度和動(dòng)態(tài)性能。MAX1200系列是CMOS流水線ADC,具有4個(gè)4位級(jí)(含1位重疊),并且具有一個(gè)5位閃速ADC,在圖4.40中可以看出,一共有3+3+3+3+5=17個(gè)原始比特。按數(shù)字校準(zhǔn)量化誤差額外的1-3位都需要比ADC本身更高的精度,讓無論是14位還是整體的16位都會(huì)被丟棄。</p><p> 在第三階段的開始校準(zhǔn)來自乘法數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(MDAC
75、);超越第三階段的MDAC誤差項(xiàng)足夠小,沒有必要校正。第三級(jí)的輸出由其余流水線ADC進(jìn)行數(shù)字化,并將誤差項(xiàng)保存在RAM上。一旦第三MDAC被校準(zhǔn)后,它可以以類似的方式來校準(zhǔn)第二MDAC。同樣,一旦在第二和第三MDAC被校準(zhǔn),它們用來校準(zhǔn)第一MDAC。均是使用同樣的方法(尤其是在第一和第二MDAC),以保證校準(zhǔn)是無噪聲的。在正常轉(zhuǎn)換時(shí),這些誤差項(xiàng)被從RAM中調(diào)出,用于調(diào)整數(shù)字誤差校正邏輯輸出。</p><p>
76、流水線ADC與SAR ADC</p><p> 在一個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)ADC,位是由一個(gè)單一的高速,高精度點(diǎn)到點(diǎn)的比較器,從MSB下降到LSB,來決定的,位由模擬輸入與輸出由預(yù)先更新的DAC比較決定,并依次接近模擬輸入。SAR這一系列性質(zhì)限制了它的運(yùn)行速度,不超過幾MS /s,還是慢于非常高的分辨率(14-16位)。但是,流水線ADC,采用了并行結(jié)構(gòu),其中每個(gè)階段同時(shí)工作于1個(gè)至數(shù)位(連續(xù)樣本內(nèi))。雖然
77、在SAR只有一個(gè)比較器,但是該比較器比較快(主頻約為x比特?cái)?shù)的采樣率)和ADC本身也很精確。與此相反,沒有一個(gè)流水線ADC內(nèi)部的比較器需要這種速度和準(zhǔn)確性。</p><p> 然而,一個(gè)流水線ADC比同等SAR通常顯著需要最多的硅片面積。SAR也只顯示一個(gè)周期(一個(gè)周期=1/F sample)的延遲,其他典型的通道大約在三個(gè)或以上的周期。就像一個(gè)通道,SAR一般超過12位的精度,通常需要某種形式的微調(diào)或校準(zhǔn)。&
78、lt;/p><p> 流水線ADC與Flash ADC</p><p> 盡管流水線ADC固有并行性,仍需要在DAC和級(jí)間增益放大器準(zhǔn)確模擬放大,因而具有顯著的線性穩(wěn)定時(shí)間。純粹閃速ADC,一方面,有比較器堆棧,其次是鎖存每個(gè)寬帶和低增益前置放大器。該前置放大器,不像流水線ADC的放大器,需要提供的增益甚至不必須是線性的或準(zhǔn)確的,只有比較器的觸發(fā)點(diǎn)必須是準(zhǔn)確的。結(jié)論是,一個(gè)流水線ADC在速
79、度上與精心設(shè)計(jì)的閃速ADC是無法比擬的。</p><p> 雖然極快的8位閃速ADC(或它們的折疊/內(nèi)插變形),取樣率高達(dá)1.5Gsps(例如,MAX104/MAX106/MAX108),但很難找到一個(gè)10位閃存,而12位(或以上)閃速ADC不是商業(yè)上可行的產(chǎn)品。這完全是因?yàn)闉榻鉀Q每一個(gè)額外的位比較器的數(shù)目在一瞬間上升到2倍,并在同一時(shí)間每個(gè)比較器必須是準(zhǔn)確的兩倍。然而,在傳遞中,分辨率一階的復(fù)雜性只線性地增大
80、,而不是指數(shù)增大。采樣速率由兩個(gè)通道和閃速獲取,流水線ADC往往比閃速有低得多的功耗。一個(gè)通道也往往不容易達(dá)到比較器的元穩(wěn)定。</p><p> 在一瞬間比較器元穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致閃速代碼錯(cuò)誤(其中ADC提供不可預(yù)知的,不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果條件)。</p><p> 流水線ADC與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器ADC</p><p> 傳統(tǒng)上,過采樣/Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器的數(shù)字音頻常用在有限
81、的帶寬,大約22kHz左右。</p><p> 但最近一些高帶寬Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器已經(jīng)達(dá)到1-2MHz的帶寬與12-16位分辨率。這些通常是非常高階(例如,四階甚至更高)的Σ-Δ調(diào)制器,集成了多比特ADC和多位反饋DAC,其主要應(yīng)用在ADSL。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器無需特殊修剪/校準(zhǔn)的本質(zhì),甚至對(duì)16?18位分辨率也同樣有用。</p><p> 他們還要求抗混疊濾波器的模擬輸入沒有陡降,因?yàn)椴蓸铀俾?/p>
82、比有效帶寬高得多;后端數(shù)字濾波器考慮到這個(gè)問題。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的過采樣特性在任何系統(tǒng)噪聲模擬輸入也趨于“平滑”。然而,Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的速度解決方法。需要采樣多次(例如,至少16倍,但通常高得多),以生成一個(gè)最終的樣品,在Σ-Δ調(diào)制器的內(nèi)部的模擬元件操作比最終數(shù)據(jù)速率快得多。</p><p> 數(shù)字抽取濾波器也是平凡的設(shè)計(jì)和占用了大量硅片面積。預(yù)期在不久的將來最快的高分辨率Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器,帶寬不會(huì)超過幾兆赫。
83、像流水線型ADC,Σ-Δ轉(zhuǎn)換器還具有延時(shí)。</p><p> 半流水線ADC與半閃速ADC(二步法)</p><p> 兩步閃速可以概括為兩個(gè)階段的傳輸。然而,隨著位的數(shù)目上升(例如,12位或更高)與數(shù)字誤差校正,每個(gè)階段都需要納入的6至7位閃速ADC。級(jí)間增益放大器也需要非常高的增益。因此,對(duì)于更高的分辨率,使用超過兩個(gè)階段是明智的。</p><p> 流水
84、線ADC是從采樣速率幾MS每秒到高達(dá)100MS每秒精選的體系結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器,提供高速,高分辨率和低功耗的同時(shí),復(fù)合物比特?cái)?shù)上升僅僅是線性的(不是指數(shù))。他們應(yīng)用廣泛,特別是在數(shù)字通信領(lǐng)域,其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能往往比傳統(tǒng)的DC規(guī)格更重要,如微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。在大多數(shù)應(yīng)用中他們的數(shù)據(jù)延遲是很少關(guān)注的。</p><p> 4.8數(shù)字 - 模擬控制</p><p>
85、 DAC,一方面,輸入一個(gè)二進(jìn)制數(shù),并輸出一個(gè)模擬電壓或電流信號(hào)。如圖4.41以方框圖的形式顯示信息。盡管數(shù)碼設(shè)備已經(jīng)很普及,但是現(xiàn)實(shí)世界中信號(hào)通常由模擬信號(hào)表示。數(shù)字控制系統(tǒng)通過使用ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字來處理現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)。再使用DAC來轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。Maxim提供從8到16位完整產(chǎn)品線精度的DAC。找到一個(gè)能滿足應(yīng)用程序要求的DAC是很重要的。設(shè)計(jì)工程師選擇一個(gè)DAC時(shí),需要看參數(shù),如線性度,分辨率,速度和準(zhǔn)確度。盡管廣
86、泛使用數(shù)碼電子,但是現(xiàn)實(shí)世界仍然是模擬的。結(jié)論是,需要在數(shù)字和模擬部分之間建立一個(gè)DAC系統(tǒng)。下面的討論涵蓋了應(yīng)該選擇DAC時(shí)必須考慮的重要參數(shù),同時(shí)也突出了新設(shè)備提供的一些有趣的功能?,F(xiàn)在大多數(shù)電子設(shè)備包括數(shù)字控制電路,模擬值仍然需要控制閥,揚(yáng)聲器,和其他致動(dòng)器。</p><p> 從數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換通常是在專用的D / A轉(zhuǎn)換器上來實(shí)現(xiàn)的。DAC可以從眾多的選擇中按照轉(zhuǎn)換的要求和系統(tǒng)設(shè)置選擇可用的標(biāo)準(zhǔn)電路。
87、在選擇的DAC中,第一步是確定所需的分辨率N,其中最大模擬輸出等于2N個(gè)LSB。市場(chǎng)提供的DAC最大產(chǎn)品品種在指定的8-16位分辨率范圍內(nèi)(256-65,536步)。然而,沒有給出準(zhǔn)確的分辨率,因?yàn)槠渌`差源必須被考慮在內(nèi)。下一個(gè)關(guān)心的參數(shù)是INL,其描述了DAC的傳遞函數(shù)的線性偏差。對(duì)于DAC的,每一步都要測(cè)量這種偏差(如圖4.42A)。</p><p> 直線是實(shí)際傳遞函數(shù)或傳遞函數(shù)的終點(diǎn)之間畫一條線(減去
88、增益和失調(diào)誤差后)的最佳逼近。雖然低成本的設(shè)備指定此參數(shù)高達(dá)±16LSBs,它往往可以通過使用操作軟件提高修正系數(shù)。對(duì)于高端的DAC,INL值比±1LSB更好。DNL是實(shí)際臺(tái)階高度和理想LSB值之間的差異。</p><p> DNL的目標(biāo)值(<1LSB)確保DAC是單調(diào)的。這意味著沒有數(shù)據(jù)丟失,因?yàn)檩敵鲎兓偸欠蠑?shù)字輸入,它增加了數(shù)字增量響應(yīng),并降低了數(shù)字遞減響應(yīng)。圖4.42b中依據(jù)
89、傳遞函數(shù)定義DNL。在圖4.42c中繪制了理想值實(shí)際輸出的偏差。對(duì)于數(shù)模轉(zhuǎn)換器,當(dāng)數(shù)字輸入是零時(shí),偏移誤差等于輸出電壓。對(duì)于所有的輸入值這個(gè)偏差值保持恒定,并且通常可以通過校正電路來補(bǔ)償。偏移誤差通常指定為以毫伏的絕對(duì)值,而不是最低有效位。(最低有效位中的偏移誤差取決于輸出步驟的高度,這又取決于參考電壓的電平。)可接受的偏移誤差通常小于±10mV。</p><p> 增益誤差定義為減去偏移誤差(圖4.
90、42d)后的理想最大輸出電壓與傳遞函數(shù)的實(shí)際的最大值之間的差。因?yàn)樵鲆嬲`差改變傳遞函數(shù)的斜率,每個(gè)步驟它都提供了相同的百分比誤差。增益誤差表示在最低有效位或毫伏,作為最大值的百分比。</p><p><b> 動(dòng)態(tài)輸出特性</b></p><p> 一個(gè)理想的DAC將在數(shù)字值被輸入到輸入端后立即輸出其模擬輸出。然而,實(shí)際的DAC,并處穩(wěn)定時(shí)間是由輸出驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部傳
91、播延遲和有限的壓擺率決定的。穩(wěn)定時(shí)間開始于一個(gè)轉(zhuǎn)換的開始,當(dāng)DAC輸出穩(wěn)定,并包括任何靜態(tài)誤差耦合到輸出時(shí),結(jié)束。雖然這是由DAC本身引起,但是由不正確的接地和電路板布局造成的影響將變得更加嚴(yán)重。</p><p><b> 數(shù)據(jù)接口</b></p><p> 以前,使用最廣泛的數(shù)據(jù)接口是并行類型。一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)協(xié)議仍然提供了高速傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。而另一方面,串行接口的低
92、引腳數(shù),需要更少的電路板空間,并且允許更小的封裝。該SPI(串行外設(shè)接口)和及其相關(guān)類型,IC制造商和用戶只需要更簡(jiǎn)單的處理,比2線I2C兼容接口有更大的市場(chǎng)份額。</p><p> SPI是一個(gè)3線接口(數(shù)據(jù)輸入,數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘)也需要一個(gè)片選線的設(shè)備尋址。因?yàn)樾盘?hào)路徑常常需要好的電隔離,3線接口提供的單向數(shù)據(jù)線成為又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)(單向線路的隔離是很容易用光電耦合器來實(shí)現(xiàn))。新的DAC,如12位MAX5539和M
93、AX5543集成在隔離封裝內(nèi),從而簡(jiǎn)化了工業(yè)設(shè)備的模擬數(shù)據(jù)輸出的設(shè)計(jì)。</p><p><b> 參考電壓</b></p><p> 在很大程度上,DAC的特點(diǎn)是由它的參考電壓定義,DAC的輸出是否需要從外部施加。</p><p> 首先,如果輸出信號(hào)是不通過額外的輸出級(jí)放大,將參考電壓(VREF)設(shè)置為DAC的最大輸出電壓。參考電壓還限
94、定在輸入時(shí)響應(yīng)于輸出的變化1LSB過渡</p><p> 的電壓階躍。第一步設(shè)置其等于VREF/2N,其中N是DAC的分辨率。在一個(gè)恒定的溫度,基準(zhǔn)輸出電壓在它的初始精度指定的范圍內(nèi)變化。對(duì)于溫度變化時(shí),輸出電壓漂移對(duì)DAC的質(zhì)量有著直接關(guān)系。</p><p> 表4.3顯示,DAC在其參考電壓需要最小的漂移。集成引用通常在100PPM/℃,因此合格的只能在有限的溫度范圍內(nèi)。一個(gè)例外是
95、12-/13-bit MAX5122/MAX5132,其集成的最大漂移精密基準(zhǔn)指定為10ppm/℃(典型值為3ppm/℃)。當(dāng)連接一個(gè)外部基準(zhǔn),我們不僅應(yīng)考慮所需的電流和DAC的參考輸入電壓范圍,也要考慮DAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的任何動(dòng)態(tài)影響。隨著所施加的數(shù)字值的變化,參考輸入電阻也隨著改變。</p><p> 因此,選擇的基準(zhǔn)必須能夠保證在每個(gè)載荷步的要求時(shí)間內(nèi),或添加電容器或運(yùn)算放大器緩沖器。DAC,帶有一個(gè)外
96、部參考輸入(如MAX5170)也可以操作乘法模式。一個(gè)可變電壓(而不是一個(gè)常數(shù)1)被施加到參考輸入端(如圖4.43)。可變電壓乘以調(diào)整后的數(shù)字輸入值,并轉(zhuǎn)移到輸出端,產(chǎn)生一個(gè)精確的數(shù)字電位器的效果。</p><p> 此操作模式中,我們應(yīng)該考慮DAC的帶寬和電壓范圍,以及參考輸入的動(dòng)態(tài)特性;如在數(shù)字零通過從參考輸入到輸出的電壓饋送。</p><p><b> 輸出級(jí)</
97、b></p><p> DAC的輸出級(jí)可以被設(shè)計(jì)為提供一個(gè)電壓輸出或電流輸出,但更簡(jiǎn)單的電壓輸出有一個(gè)更大的市場(chǎng)份額。</p><p> 有些Maxim的設(shè)備提供的固定電壓輸出增益或一個(gè)不受約束的放大器作為選項(xiàng),即所謂的“強(qiáng)制檢測(cè)”輸出。這種安排有助于通過兩個(gè)外部電阻設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的增益(如圖圖4.44a)。力感應(yīng)電壓輸出也有助于實(shí)現(xiàn)電流輸出(圖4.44b)</p>
98、<p> MAX5120/MAX5170系列提供了一種特殊的啟動(dòng)功能叫作毛刺預(yù)防。如果沒有這種功能,DAC輸出簡(jiǎn)單地遵循在上電時(shí)的電源電壓,直到集成電路開始工作。該操作會(huì)有3V的高脈沖破壞輸出,這可能會(huì)導(dǎo)致下面的電路出現(xiàn)故障。MAX5120/MAX5170設(shè)備可以抑制這種脈沖。他們還提供一個(gè)上電復(fù)位,清除所有DAC寄存器。如需要雙極性輸出級(jí),該復(fù)位可以在電壓0V到一半的最大輸出電壓(中端)間調(diào)節(jié)。大多數(shù)新的設(shè)備由一個(gè)單極電源
99、供電,但如果我們?cè)黾右粋€(gè)外部雙極放大器和定義最大輸出電壓的中端為零,他們可以提供雙極性輸出信號(hào)。</p><p> 12位MAX530工作在雙極性電源并直接提供雙極性輸出把電壓。至于為DAC供電另一個(gè)考慮是可能發(fā)生閉鎖,如果一個(gè)數(shù)字輸入電壓為0.3V,高于電源電壓。特別地,上電或斷電時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)不應(yīng)該被應(yīng)用到DAC輸入端。防止這個(gè)問題,在圖4.45中所示的肖特基二極管用于提供保護(hù)。</p><
100、p><b> 總結(jié)</b></p><p> ——在虛擬儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含三個(gè)主要階段——數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)處理,與數(shù)據(jù)操作。</p><p> ——數(shù)據(jù)采集是通過使用各種設(shè)備,如數(shù)據(jù)采集,傳感器,等等。對(duì)特征性質(zhì)和這些工具的主要特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。</p><p> ——數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)是通過使用諸如放大,濾波,隔離,等等各種技術(shù)。對(duì)特
101、征性質(zhì)和這些工具的主要特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)節(jié)劃定。</p><p> ——要特別注意,最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟忉層嘘P(guān)在市場(chǎng)上可買到的各種數(shù)據(jù)采集和ADC。在幾個(gè)設(shè)備中也要進(jìn)行比較,以證明其性能的霸主地位。</p><p><b> 復(fù)習(xí)題</b></p><p> 給出完整測(cè)量系統(tǒng)方框圖的部件,并解釋各塊的功能。</p><p> 繪
102、制傳感器的原理圖。</p><p> 寫出化學(xué),物理和生物傳感器之間的差異。</p><p> 傳感器的特征是什么?</p><p> 詳細(xì)講解電容式傳感器及其應(yīng)用。</p><p><b> 給出傳感器的定義。</b></p><p> 傳感器的類型有哪些?</p>&l
103、t;p><b> 寫出換能器的特性。</b></p><p> 解釋下:RTD和應(yīng)變計(jì)。</p><p> 列出一般的信號(hào)調(diào)理功能。</p><p> 大概解釋下ADC的結(jié)構(gòu)類型。</p><p> 大概解釋下DAC的結(jié)構(gòu)類型。</p><p> 討論閃速ADC結(jié)構(gòu)。</p
104、><p> 解釋一下不同類型的傳感器。</p><p><b> 畫出人體感應(yīng)結(jié)構(gòu)。</b></p><p> 如何使用傳感器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)?</p><p> 信號(hào)調(diào)理的各個(gè)階段是哪些?</p><p> 如何使用SCXI信號(hào)調(diào)理?</p><p> LabVIEW
105、 based Advanced Instrumentation Systems</p><p> 4.6 General Signal Conditioning Functions</p><p> Regardless of the types of sensors or transducers that are used, the proper</p><p&g
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- 外文翻譯--Komatsu先進(jìn)的液壓系統(tǒng).doc
- 外文翻譯---鍛件的先進(jìn)制造系統(tǒng)
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