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一篇很好的AD转换设计中的基本问题整理

作者:时间:2016-05-09来源:网络收藏

  了解数据转换器错误及参数

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201605/290856.htm

  1.如何选择高速模数转换之前的信号调理器件;如何解决多路模数转换的同步问题?

  之前的信号调理,最根本的原则就是信号调理引起的噪声和误差要在的1个LSB之内。根据这个目的,可以需要选择指标合适的运放。至于多路同步的问题,一般在高速ADC的数据手册中都会有一章来介绍多片同步问题,你可以看一下里面的介绍。

  2.在挑选ADC时如何确定内部噪声这个参数?

  一般ADC都有信噪比SNR或者信纳比SINAD这个参数,SINAD=6.02*有效位数+1.76,您可以根据这个公式来确定您选择的ADC能否符合您的要求.

  3.如何对流水线结构ADC进行校准?需要校准哪些参数?

  一般来讲,ADC的offset和gain error会比较容易校准。只要外接0V和full scale进行采样,然后得到校准系数。另外,如果需要作温度补偿的话,一般需要加一个温度传感器,然后利用查表的方式来补偿。

  4.对ADC和DAC周围的布线有哪些建议?

  ADC和DAC属于模拟数字混合型器件,在布局布线时最重要的是要注意地分割,即模拟地和数字地的处理问题。对于高采样率的器件,建议使用一块地。而低采样率的器件,建议模拟数字地分开,最后在芯片下方连接在一起。

  其他的布局布线规范与其他器件的是一样的。

  对于具体的器件,一般会有评估板的Layout图可供参考。

  5.模数转换器的精度与噪声系数之间有什么必然的联系吗?

  低速模数转换器的精度用峰峰值分辨率,有效值分辨率来表示。在ADI一些Sigma-delta ADC的芯片资料里都会列出不同情况下的有效值分辨率指标。高速模数转换器的精度可用SNR,SNOB来表示,这些指标也可在资料中找到。

  但一般ADC的指标中不会有噪声系数(NF)的指标。

  6.如果采用了外部模拟切换开关,那么这个开关总是存在一些电阻的,必然引起一些误差,那么我想问一下有没有什么办法能减少这些误差,分别描述一下用硬件的方法与用软件的方法。

  你可以选择电阻很小的开关比如ADG14**系列。如果是开关是做通道切换的,在后级加一个运放跟随就可以了。如果是做量程切换,只能选择电阻很小的开关,同时注意开关的平坦度和温度漂移参数,如果系统精度要求很高,那就只能做软件校正或者选择可编程放大器如AD8250/1/3等。

  7.将AD7710的输入端与自身的地短接后,再读取数据时,其值跳动比较大,通过说明当中的几种校准方式,都没有解决?频率已经在25Hz上了。不知如何解决?

  请确认电源和基准的稳定性,在频率为25Hz,增益为1的条件下,看数据手测上Table II可知其有效值分辨率为21.5bit,那么其实际的峰峰值分辨率为21.5-2.7=18.8bit,也就是说如果有5bit码在跳就是正常的。

  8.请问ADC的输入和传感器相连,如何将传感器输出信号本身的干扰排除?

  如果传感器输出是共模干扰,需要加仪表运放如AD8221/0等滤除。如果是差模干扰,加滤波器就可以滤除。

  9.我要设计一个16路的数据采集系统,每路的采样率为100K,16BIT,请问一下,我要采用什么样的AD芯片,另外,器的输入通道比较少,要选择什么样的外部多路模拟切换开关?另,对模拟切换开关的选择有什么要求,要关注哪些参数。

  我们没有16bit和16通道的ADC,您可以选择用两片AD7689,16bit 8通道。或者选择16:1的ADG1206.要注意导通电阻,注入电荷,导通时间等。

  10.一个12位的高速模数转换器能不能降低以及如何降低到8位来使用,因我们的系统精度只需要8位,高了反而有害。

  你在读取数据的时候,只需要读8bit即可。

  11.有一些ADC集成有抗混叠滤波器,请问有什么好处?

  一般抗混叠滤波器指的是ADC前端的滤波器,而sigma-delta ADC内部会集成一些陷波器,来实现工频50Hz和60Hz陷波,总的好处就是ADC有更好的抗噪声性能。

  12.请问怎样才能降低相邻通道相互间的干扰?

  在布局布线时可以考虑在相邻通道间加地屏蔽。

  13.想设计高精度校准仪表,如直流电压输出(毫伏级),能不能推荐几款芯片?请问怎样消除伴随的量化噪声?如何保证ADC的精度,的满量程即是电源电压,对于单电源供电,零点的确定和量程都与电源电压有关,如果电源电压波动势必导致转换的误差,电路中如何解决,特别对小信号的采集.请问什么是 DAC的输出静态误差?怎样提高数模转换器中电阻或者电流源单元的匹配程度?在给ADC供电时,数字地与模拟地之间是否需要串接小电感?

  1)ADI的运放,仪放产品种类很多,最好把详细的指标要求列出来,这样比较容易找。

  2)ADC的量化噪声是固有的,没办法消除。

  3)ADC的电源对测量精度有直接的影响。所以要选择高精度低噪声的电源信号,且在布线的时候也要注意避免干扰。

  4)一般手册里会分别给出zero error,gain error等等,不知道具体问的是哪一个,或者可以举一个具体型号的例子。

  5)这应该是DAC内部结构的问题,一般来讲,我们不关心内部电阻或电流源的绝对值,只关心它们之间的比例,现在的工艺可以很好地保证这个。

  6)一般来讲,用0欧姆电阻连接就可以了。

  14.ADC的内部增益越大,其产生的噪声也越大,专家能说说两者之间的原理是什么?

  ADC内部的PGA增益越大,本身PGA的噪声会增加,另外ADC输入噪声被放大的越多。所以ADC内部增益越大,分辨率越小。

  15.电源纹波对转换精度的影响?

  如果ADC有PSRR这个指标,可以使用这个指标去算电源纹波对ADC的影响。如果没有,一般基准源都有这个指标,你可以使用基准源的PSRR去算对ADC采样的影响。

  16.数据转换器在布线长度、通信串扰和匹配电阻等方面是如何设计的?

  高速ADC会考虑这些问题。尤其对于LVDS接口的ADC,尽量保证一对信号的布线等长等距,放置端接电阻。这方面的布局布线最好是参考评估板来做。

  17.ADI产品高速数模转换最大速度能达到多少?采样频率大了是不是稳定性会下降?

  我们的DAC的最大速度能达到2.5GHZ,它是AD9739电流输出型的,这不会影响到稳定性。

  18.ADC的标称的位数很高,但是实际中末尾的几位会被内部噪声而淹没,我在挑选ADC时如何确定内部噪声这个参数?

  对于高精度的ADC,一般来讲都会给出一个有效分辨率的参数,也就是器件可以达到不跳码的位数。另外在设计中还有考虑电源,参考电压的噪声,以及ADC前端调理电路引入的噪声。需要把这些噪声控制在ADC的1个LSB之内。

  19.评估ADC的时候,因为评估SNR,比较困难,所以我一般会考虑评估在接地时候的跳码程度来比较两种同类ADC的差异,这种评估方法科学吗?有没有更科学的方法?有没有具体的文档?

  实际上对于高速ADC来说,应该是加一个高精度的基准信号,而后用ADC采样,再做FFT分析来评估SNR。而对于高精度的ADC来说才是您用的办法,可以参考我们的应用笔记AN-835。

  20.如何理解压摆率这个指标?为什么要对电压变化率做限制?

  举个简单的例子,如果压摆率不够,那么就是实际的输出跟不上输入信号的变化,这样对信号的处理就会有失真。

  21.开关电源的纹波对12位以上的ADC的影响有多大?是否需要为ADC部分单独处理电源纹波?

  高精度的ADC,比如16位及以上的ADC,不建议使用开关电源来供电。

  22.请问使用高功效开关稳压器替换传统的LDO稳压器电源对高速模数转换器有没有负面影响?对产品寿命有何影响?

  在高速ADC场合,一般对电源的纹波和噪声有较高的要求。开关电源效率比较高,但是有较大的纹波和噪声,会对系统的精度有影响。而高速场合对SNR,SFDR要求比较高,所以选择LDO会比较好。

  23.关于运算放大器的阻抗匹配在设计中,需要如何注意?

  只有在高速的情况下才需要考虑阻抗匹配。

  24.电源精度会导致ADC的精度提不上去吗?

  有可能。具体要看你ADC的位数和PSRR这个参数。如果位数很低如10bit,你用再低噪声的电源也只能是10bit精度。但是16bit系统,你如果使用噪声很大的电源,会使得系统精度不能达到16bit。

  25.AD前抗射频干扰滤波器一般应当达到什么样的性能指标呢,比如截至频率,滚降 ?

  这取决于您的实际应用,当然理想情况下是截至频率等于有效的输入信号,而滚降特性是无限陡峭,但实际上没有这样的滤波器,且越接近理想情况,成本会越高,要折衷考虑。

  26.如何抑制输入"毛刺"?

  加滤波器抑制,或者是对采样结果做数字滤波。

  27.有什么好的建议,使用软件来提高ADC的精度与位数?

  请注意参考和电源的质量,同时还需要注意layout来防止噪声引入。

  28.请问对于ECG信号的AD转换需要有多大的分辨率?可以推荐几款型号吗?

  取决于ECG的信号链。如果信号链中为AC隔离,这样信号可以被放大很大,比如放大1000倍,这样ADC的选取12位~16位。如果信号链为DC隔离,这样信号不能被放大很多,一般增益为10,这样ADC的位数就得选的大些,18位~24位。

  ECG产品会有相应的标准,即ECG产品最小能分辨多小的信号,ADC的选取与此也有关。

  29.我设计的一个基于FPGA的DDS系统中使用的芯片是AD9777,请问在电流足够的情况下,系统电源设计中是否可以将DA芯片与FPGA芯片共用3.3V数字电源,以达到简化电源设计的目的?

  可以 。

  30.随着数字视频信号应用的越来越普及,数模转换器在视频方面会不会无用武之地,乃至被淘汰?

  数模转换器是不会被淘汰的,因为最终都是要将数字信号转会人们能所识别的模拟信号。

  31.恶劣环境下(高温下),ADC的供电电源怎么设计?一般DC-DC很难达到+85摄氏度,ADI是否有相关的参考设计?

  选择合适的器件,DC-DC能工作在85度,关键是你选择合适的器件和合适的设计,使得系统的温升在其标定的范围,如加风扇或者散热片,多个器件并联提高电源效率等。

  32.我在使用ADuC841的A/D时,采集的数据偶尔会时零,为什么?如何解决?

  这种情况要用示波器监测输入信号,看输入端是否真的发生跳变了,如果没有请仔细检查ADUC841的数据读取程序。

  33.请问把一个直流信号加到转换器输入端时,怎样确定输出端应该出现的数码数目?

  一般来讲,根据计算公式,Vin/Vref=code/2^N. N为ADC的位数,Vin为输入电压,Vref为参考电压。如果是有负电压,需要考虑输出码字的类型,比如二进制补码等等。绝大多数ADC的数据手册中都会给出一个图来说明这个问题。

  34.AD7710使用时,噪音过高。如何使用说明书当中的校准?在布线过程当中如何做比较合适?

  建议参考芯片的评估板来做Layout设计。


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关键词: AD转换 ADC

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