高分辨率模数转换器(ADC)概述

高分辨率模数转换器(ADC)概述-高分辨率ADC成本大幅降低为设计人员带来诸多好处

设计人员进行工业和数据采集项目设计时，很可能会遇到以下这些模数转换问题：
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。
适应不同来源且信号范围截然不同的信号。
解析某一确定值的上下微小变化，旨在扩展以该点为中心的范围。
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%。
设计问题的解决之道
这些设计问题有很多解决方法，以下主要列出三种：
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。

下面逐一评估这些方法。

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传感器信号，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。

图2. 具有独立外部缓冲放大器的ADC原理示意图
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。
用分立器件设计PGA的相关信息见参考文献1。

多缓冲放大器方法
如果传感器或者信号源与内置ADC的数据采集单元有一定距离，可以使用多缓冲放大器方法（见图2）。

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3. 单个高分辨率ADC的原理示意图
需解析0点附近某个信号值的微小变化时，显然应选择使用高分辨率ADC。这也是利用数模转换器(DAC)补偿大多数信号的替代方案。在有些情况下，这仍然是一种可行的选择。目前适合增益范围调整方法的一款较流行PGA是AD8250（见参考文献2）。表1列出了一些ADC。