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利用比较器/DAC组合解决数据采集问题

作者:时间:2012-08-23来源:网络收藏

摘要:以下讨论验证了一个被现存A/D转换器应用所忽略的选择:有些条件下采用分立的和D/A转换器更容易实现A/D转换。这种替代方案通常采用不同的测试方法,但是具有低成本、高速度、更大灵活性以及更低功耗等优点。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/185878.htm

尽管当前趋势全部集中一个方向-设计者需要使用A/D转换器时通常选定一个集成的A/D转换器(ADC)。大多数工程师并没有意识到还有降低ADC性价比的其它替代方案。而模拟、D/A转换器()和信号处理一起恰好就是构成逐次逼近ADC的核心电路。

某些特定领域,分立/的使用非常普遍。自动测试设备、核脉冲反应堆高度监测器以及自动化时域反射计等,通常都采用这种技术,用于驱动比较器的一个输入,另一个输入由被监测信号驱动。接下来是通用测试问题以及特定方法的选择,事实上,此时采用比较器/DAC比采用现成的ADC更受欢迎。

瞬态电压分析

捕获快速幅度变化事件(瞬态)的强力技术就是采用处理器支持的高速ADC和RAM对其进行简单量化(图1)。单触发事件可能必须采用这种方法,因为需要获取瞬态细节。然而,如果瞬态是重复性的,则可采用DAC/比较器的方法测量它们的峰值幅度及其它特性(图2)。

图1. 采用

图1. 采用强力法进行瞬态分析,ADC电路耗电大且价格昂贵

图2. 如果图1应用可接受对幅度进行重复测量,用DAC/比较器组合替代ADC可省电并降低成本

图2. 如果图1应用可接受对幅度进行重复测量,用DAC/比较器替代ADC可省电并降低成本

比较器的一个输入引脚由DAC设置判定电平,瞬态信号施加到另一个输入。通过调整DAC输出可确定峰值瞬态幅度,超越门限时,采用数字锁存捕获比较器的输出响应。仅需要比较器输入支持瞬态带宽,任意长的DAC输出建立时间并不会影响测量精度。这样,在模拟域可用低成本DAC和比较器代替昂贵的ADC.

需注意的是,在监视模拟电压时必须考虑容限。许多自诊断设备监视系统电压、温度以及其它模拟量,容限值在软件中设置。然而,如果这种比较由比较器实现,设置值由DAC提供,这样可减轻处理器负荷,因为只需要读取一位来表示超限状态。

这种技术(模拟域比较)与ADC技术(数字域比较)具有相同精度,对于一个设置点时,可通过简单比较实现,为什么还要对整个值进行量化?必须提及的一种情况是:如果与几个设置点进行比较时,例如:报警上限/下限和关断的下限/上限电平,可选择ADC,否则需要4路DAC和4个比较器。

由DAC构建简单的ADC

便携式仪器受成本和尺寸限制,有些情况下可以利用DAC实现A/D转换功能。例如,蜂窝电话和医疗电子通常采用DAC调整LCD对比度电压(图3)。有时可通过简单添加一个比较器和开关,监视温度或电池电压(如上所述)。那么现有DAC可执行两种任务,在DAC执行模拟至数字转换时关闭显示器。作为另一种替代方案,由模拟开关和电容构成的简单采样/保持电路(图4)可在A/D转换期间维持LCD的对比度电压。

图3. 该电路常见于便携仪器

图3. 该电路常见于便携仪器

图4. 对图3增加两个比较器,由DAC实现ADC功能,节省成本

图4. 对图3增加两个比较器,由DAC实现ADC功能,节省成本

另外一种方法就是用一个低成本双路DAC替代现有单路DAC.双路DAC中的一路用于产生LCD对比度电压,另一路用于构成ADC.无论单路还是双路,都需要DAC和比较器支持快速、驱动DAC的简单程序,以及对比较器采样来实现逐次逼近(参见sidebar,逐次逼近)。

设计考虑

DAC和比较器的结合非常简单。信号作用到比较器的同相输入端,DAC提供的数字可编程门限作用到反相输入端。只要信号比门限值大,比较器就会产生逻辑高电平输出。但在使用时必须注意几个方面。

为确保精确的门限电平,考虑到比较器的输入偏置电流以及比例网络,DAC的直流输出阻抗应很小。在超低功耗电路中更应注意,DAC的输出阻抗可能高达10kΩ。

DAC的另一个要求是低交流输出阻抗。否则,比较器输出的高速数字信号的压摆率经过布线寄生电容耦合,将产生输入瞬态变化,导致自激并降低精度。如果允许牺牲一定的建立时间,可在比较器输入端增加一个旁路电容来降低DAC的交流输出阻抗。DAC输出放大器的大电容负载可导致不稳定或振荡,但这个问题可在DAC输出串联一个电阻加以修正。

比较器的主要问题是滞回。大多数比较器电路带有滞回,以防止噪声和振荡,但使用滞回时必须谨慎-它会造成门限值随输出而改变。如果系统可对受输出状态影响的滞回进行补偿,可以接受这种配置;否则,应当避免滞回。

如果采用的比较器具有内部滞回并且不能禁止,可确保DAC输出总是在相同方向逼近比较器门限,这样可消除负面影响。通过在每位测试完成后将DAC设置为零,便于达到这一目的;例如,在本文最后列出的伪代码后增加一行(参见sidebar,逐次逼近)。

另一选择是,通过增加一个小电容反馈也可消除滞回,这会加速比较器在线性工作区的转换。或者,增加一个输出触发器或锁存器,在给定时刻捕获比较器输出状态。

当前比较器都能够很好地处理摆率受限的输入信号。例如,Maxim公司的MAX913和MAX912在这方面尤其有效,因为它们在线性工作区能够确保稳定。图5列举了MAX913在高速、12位应用中的性能。图6电路(超低功耗8位转换器)在不使用时可将其关闭以节省能量。

图5. 由于比较器在其线性工作区保持稳定,该高速、12位幅度采集器可处理低速输入电压而不会出现振荡

比较器相关文章:比较器工作原理



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