模擬工程師必知必會:帶你全方位學習模數(shù)轉(zhuǎn)換器二
∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器,它采用增量編碼方式即根據(jù)前一量值與后一量值的差值的大小來進行量化編碼?!?Δ型ADC包括模擬∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器?!?Δ調(diào)制器主要完成信號抽樣及增量編碼,它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼;數(shù)字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波,把增量編碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號。因此抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。
優(yōu)點:分辨率較高,高達24位;轉(zhuǎn)換速率高,高于積分型和壓頻變換型ADC;價格低;內(nèi)部利用高倍頻過采樣技術,實現(xiàn)了數(shù)字濾波,降低了對傳感器信號進行濾波的要求。
缺點:高速∑-△型ADC的價格較高;在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下,比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。
6.流水線型ADC
流水線結(jié)構(gòu)ADC,又稱為子區(qū)式ADC,它是一種高效和強大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換,并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸;經(jīng)過合理的設計,還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。
流水線型ADC由若干級級聯(lián)電路組成,每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路,其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。快速精確的n位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū)(流水線)來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個m位分辨率粗A/D轉(zhuǎn)換器對輸入進行量化,接著用一個至少n位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)產(chǎn)生一個對應于量化結(jié)果的模/擬電平并送至求和電路,求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。并將差值精確放大某一固定增益后關交下一級電路處理。經(jīng)過各級這樣的處理后,最后由一個較高精度的K位細A/D轉(zhuǎn)換器對殘余信號進行轉(zhuǎn)換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來即構(gòu)成高精度的n位輸出。
優(yōu)點:有良好的線性和低失調(diào);可以同時對多個采樣進行處理,有較高的信號處理速度,典型的為Tconv100ns;低功率;高精度;高分辨率;可以簡化電路。
缺點:基準電路和偏置結(jié)構(gòu)過于復雜;輸入信號需要經(jīng)過特殊處理,以便穿過數(shù)級電路造成流水延遲;對鎖存定時的要求嚴格;對電路工藝要求很高,電路板上設計得不合理會影響增益的線性、失調(diào)及其它參數(shù)。
目前,這種新型的ADC結(jié)構(gòu)主要應用于對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統(tǒng),對噪聲、帶寬和瞬態(tài)相應速度等時域特性要求較高的CCD成像系統(tǒng),對時域和頻域參數(shù)都要求較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
確定A/D轉(zhuǎn)換器件在確定設計方案后,首先需要明確A/D轉(zhuǎn)換的需要的指標要求,包括數(shù)據(jù)精度、采樣速率、信號范圍等等。
1.確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)在選擇A/D器件之前,需要明確設計所要達到的精度。精度是反映轉(zhuǎn)換器的實際輸出接近理想輸出的精確程度的物理量。在轉(zhuǎn)化過程中,由于存在量化誤差和系統(tǒng)誤差,精度會有所損失。其中量化誤差對于精度的影響是可計算的,它主要決定于A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)可以用分辨率來表示。一般把8位以下的A/D轉(zhuǎn)換器稱為低分辨率ADC,9~12位稱為中分辨率ADC,13位以上為高分辨率。A/D器件的位數(shù)越高,分辨率越高,量化誤差越小,能達到的精度越高。理論上可以通過增加A/D器件的位數(shù),無止境提高系統(tǒng)的精度。但事實并非如此,由于A/D前端的電路也會有誤差,它也同樣制約著系統(tǒng)的精度。
比如,用A/D采集傳感器提供的信號,傳感器的精度會制約A/D采樣的精度,經(jīng)A/D采集后信號的精度不可能超過傳感器輸出信號的精度。設計時應當綜合考慮系統(tǒng)需要的精度以及前端信號的精度。
2.選擇A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率在不同的應用場合,對轉(zhuǎn)換速率的要求是不同的,在相同的場合,精度要求不同,采樣速率也會不同。采樣速率主要由采樣定理決定。確定了應用場合,就可以根據(jù)采集信號對象的特性,利用采樣定理計算采樣速率。如果采用數(shù)字濾波技術,還必須進行過采樣,提高采樣速率。
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